Что и как изучает нейтринная геофизика

Опубликовано в еженедельнике ОИЯИ "Дубна"  № 40-41 (2020)

Нейтринная геофизика как отдельная дисциплина сформировалась совсем недавно. Эта быстроразвивающаяся область науки на стыке геологии, геофизики и физики частиц изучает внутреннее строение Земли по наблюдениям потоков антинейтрино, сопровождающих распад радиоактивных элементов в коре и мантии Земли. Вклад радиоактивных распадов в полное тепловыделение Земли (радиогенное тепло) определяет тепловую историю Земли и ограничивает геофизические модели нашей планеты.

Первое надежное подтверждение ненулевого геонейтринного потока было опубликовано в 2010 году коллаборацией Borexino. Для детального изучения вклада радиоактивных элементов в разогрев Земли необходимы измерения от нескольких детекторов, подобных Borexino, расположенных в различных точках земного шара. Методика, отработанная на Borexino, уже дала жизнь новым проектам масштаба десятков килотонн, нацеленным в том числе на измерение геонейтринного потока. Яркий тому пример - эксперимент JUNO в Китае, в подготовке которого активное участие принимают ученые ЛЯП.

Дубненская группа была зачинателем антинейтринных исследований на детекторе Borexino. Первые оценки чувствительности детектора к геонейтрино проводились в 2005-2006 гг. на прототипе Borexino (CTF). Были разработаны критерии отбора антинейтринных событий. Группа участвовала в получении ранних результатов, связанных с регистрацией антинейтрино низких энергий, включая две первые работы по геонейтрино.

Детектор Borexino в Национальной лаборатории Гран-Сассо.

Для новых, более точных измерений геонейтринного потока использовался массив данных, набранных на Borexino за 3263 дня, между декабрем 2007 года и апрелем 2019-го. За эти почти 12 лет зарегистрировано всего 53 геонейтринных события от распадов урана и тория, точность измерения достигла 18 процентов.

Сейчас усилия физиков сконцентрированы на выделении вклада сигнала от мантии в полный геонейтринный поток. Наличие сигнала от мантии подтверждается данными эксперимента Borexino. Измеренный геонейтринный сигнал соответствует тепловыделению в недрах Земли в 38 ТВт, вклад мантии при этом оказывается около 25 ТВт. Данные значения хорошо совместимы с различными геофизическими моделями, демонстрируя только статистически слабое отклонение для моделей с наиболее низкими концентрациями радиоактивных элементов в мантии. Дополнительно, исключено существование гипотетического гео-реактора в центре Земли с мощностью выше 2,4 ТВт.

Дубненские физики участвовали в анализе данных в составе антинейтринной группы под руководством Л.Лудховой. Было выполнено моделирование и расчет фона от ядерных реакций с выделением нейтронов. Результаты и перспективы экспериментальных исследований геонейтрино представлены в обзоре руководителя дубненской группы Олега Смирнова.

Помимо прямой работы с данными детектора Borexino, члены группы активно занимаются формированием научного интереса к новой области науки, представляя доклады как по геонейтринным результатам Borexino, так и по нейтринной геофизике на семинарах, школах и международных конференциях. Результаты представлялись на семинарах в ЛЯП, в лаборатории Гран Сассо, в Миланском университете, Белорусском университете, университете имени Я.А.Коменского (Братислава), в Институте ядерных иссследований РАН в Троицке, а также на международных конференциях.

Группа участников эксперимента Borexino из Лаборатории ядерных проблем имени В.П.Джелепова: Олег Смирнов, Алина Вишнева и Максим Громов, - стала победителем конкурса научных работ ЛЯП за 2020 год в номинации "Физика" за цикл работ "Нейтринная геофизика".

По материалам сайта ЛЯП имени В.П.Джелепова