Эксперимент "Борексино" обнаружил "призрачные" сигналы из глубин Земли

Ученые, участвующие в сотрудничестве Borexino, представили новые результаты для измерения нейтрино, происходящих из недр Земли. Неуловимые "призрачные частицы" редко взаимодействуют с веществом, что затрудняет их обнаружение. Благодаря этому обновлению исследователи теперь смогли получить доступ к 53 событиям - почти в два раза больше, чем в предыдущем анализе данных с детектора Borexino, который расположен на 1400 метров ниже поверхности Земли в массиве Гран-Сассо недалеко от Рима. Полученные результаты дают исключительное представление о процессах и условиях в недрах земли, которые остаются загадочными и по сей день.

Земля сияет, даже если ее совсем не видно невооруженным глазом. Причиной этого являются геонейтрино, которые образуются в процессе радиоактивного распада в недрах Земли. Каждую секунду около миллиона таких неуловимых частиц проникают в каждый квадратный сантиметр поверхности нашей планеты.

Детектор Borexino, расположенный в крупнейшей в мире подземной лаборатории Laboratori Nazionali del Gran Sasso в Италии, является одним из немногих детекторов в мире, способных наблюдать эти призрачные частицы. Исследователи используют его для сбора данных о нейтрино с 2007 года, то есть уже более десяти лет. К 2019 году они смогли зарегистрировать в два раза больше событий, чем на момент последнего анализа в 2015 году – и снизить неопределенность измерений с 27 до 18 процентов, что также связано с новыми методами анализа.

На диаграмме показаны геонейтрино из недр земли, измеренные детектором Borexino, что приводит к конечным энергетическим спектрам. Ось x показывает заряд (количество фотоэлектронов) сигнала, который является мерой энергии, осажденной в детекторе, а ось y показывает количество измеренных событий.

"Геонейтрино - это единственные прямые следы радиоактивных распадов, которые происходят внутри Земли и которые производят пока неизвестную часть энергии, управляющей всей динамикой нашей планеты”, - объясняет Ливия Людхова, один из двух нынешних научных координаторов Борексино и руководитель группы нейтрино в Институте ядерной физики (IKP) в Forschungszentrum Jülich.

Исследователи в сотрудничестве с Borexino извлекли с улучшенной статистической значимостью сигнал geoneutrinos, поступающий из мантии Земли, которая лежит ниже земной коры, используя хорошо известный вклад из самой верхней мантии и коры Земли-так называемой литосферы.

Интенсивное магнитное поле, непрекращающаяся вулканическая активность, движение тектонических плит и мантийная конвекция-условия внутри Земли во многом уникальны во всей Солнечной системе. Вопрос о том, откуда берется внутреннее тепло Земли, ученые обсуждают уже более 200 лет.

"Гипотеза о том, что на глубине в мантии больше нет никакой радиоактивности, теперь может быть впервые исключена с 99% - ной степенью достоверности. Это позволяет установить нижние границы содержания урана и тория в мантии Земли”, - говорит Ливия Людхова.

Эти значения представляют интерес для многих различных расчетов модели Земли. Например, весьма вероятно (85%), что процессы радиоактивного распада внутри Земли генерируют более половины внутреннего тепла Земли, в то время как другая половина все еще в значительной степени получена из первоначального образования Земли. Таким образом, радиоактивные процессы в земле обеспечивают немаловажную часть энергии, питающей вулканы, землетрясения и магнитное поле Земли.

Последняя публикация в Phys. REV. D не только представляет новые результаты, но и всесторонне объясняет анализ с точки зрения физики и геологии, что будет полезно для детекторов жидких сцинтилляторов следующего поколения, которые будут измерять геонейтрино. Следующая задача для исследований с геонейтриносами теперь заключается в том, чтобы иметь возможность измерять геонейтрино из мантии Земли с большей точностью, возможно, с помощью детекторов, распределенных в разных положениях на НАШЕЙ ПЛАНЕТЕ. Одним из таких детекторов будет детектор JUNO в Китае, где участвует группа IKP нейтрино. Детектор будет в 70 раз больше, чем Borexino, что помогает достичь более высокой статистической значимости за короткий промежуток времени.