Геонейтрино

AGM2015: Всемирная _{карта потоков энергии} , объединяющая геонейтрино от распада природного урана-238 и тория-232 в земной коре и мантии, а также искусственные реакторные волны, _{испускаемые} энергетическими реакторами по всему миру.

В ядерной физике и физике элементарных частиц геонейтрино или антинейтрино , — это нейтрино испускаемые при распаде естественных радионуклидов на Земле . Нейтрино, самые легкие из известных субатомных частиц , не имеют измеримых электромагнитных свойств и взаимодействуют только через слабое ядерное взаимодействие, если игнорировать гравитацию . Материя практически прозрачна для нейтрино, и, следовательно, они беспрепятственно путешествуют со скоростью, близкой к световой, через Землю от точки своего испускания. В совокупности геонейтрино несут комплексную информацию о количестве их радиоактивных источников внутри Земли. Основная цель развивающейся области нейтринной геофизики включает извлечение полезной с геологической точки зрения информации (например, содержания отдельных элементов , производящих геонейтрино , и их пространственного распределения в недрах Земли) из измерений геонейтрино. Аналитикам коллаборации Borexino удалось добраться до 53 событий нейтрино, происходящих из недр Земли.

Большинство геонейтрино представляют собой электронные антинейтрино, происходящие из
б ⁻
ветви распада ⁴⁰ К , ²³² и ​ ²³⁸ У. ​Вместе эти цепочки распада составляют более 99% современного радиогенного тепла , вырабатываемого внутри Земли. Только геонейтрино из ²³² и ²³⁸ Цепочки распада U обнаруживаются по механизму обратного бета-распада свободного протона, поскольку они имеют энергию выше соответствующего порога (1,8 МэВ ). В экспериментах с нейтрино большие подземные жидкостные сцинтилляционные детекторы регистрируют вспышки света, возникающие в результате этого взаимодействия. По состоянию на 2016 год Измерения геонейтрино на двух объектах, как сообщили коллаборации KamLAND и Borexino , начали налагать ограничения на количество радиогенного нагрева в недрах Земли. третий детектор ( SNO+ Ожидается, что ) начнет собирать данные в 2017 году. Эксперимент JUNO строится в Южном Китае . Еще один эксперимент по обнаружению геонейтрино запланирован в китайской подземной лаборатории Цзиньпин .

История

Диаграмма Фейнмана для
б ⁻
распад нейтрона электрон на протон , электронное и антинейтрино через промежуточное соединение
В ⁻
бозон .

Гипотеза нейтрино была выдвинута в 1930 году Вольфгангом Паули . Первое обнаружение антинейтрино, генерируемых в ядерном реакторе, было подтверждено в 1956 году. Идея изучения нейтрино, образовавшихся геологическим путем, для определения состава Земли существует, по крайней мере, с середины 1960-х годов. В знаковой статье 1984 года Краусс , Глэшоу и Шрамм представили расчеты предсказанного потока геонейтрино и обсудили возможности его обнаружения. О первом обнаружении геонейтрино было сообщено в 2005 году в ходе эксперимента KamLAND в обсерватории Камиока в Японии. В 2010 году эксперимент Борексино в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии опубликовал результаты измерений геонейтрино. Обновленные результаты KamLAND были опубликованы в 2011 г. и 2013 г., и Борексино в 2013 году и 2015.

Геологическая мотивация

Основная статья: Внутренний тепловой баланс Земли

Геологически значимые антинейтрино- и тепловыделяющие радиоактивные распады и цепочки распада.

${\begin{array}{rclr}{\ce {^{238}_{92}U}}&{\ce {->}}&{\ce {^{206}_{82}Pb}}+8\alpha +6e^{-}+6{\bar {\nu }}_{e}&+\ 51.698\,{\ce {MeV}}\\{\ce {^{235}_{92}U}}&{\ce {->}}&{\ce {^{207}_{82}Pb}}+7\alpha +4e^{-}+4{\bar {\nu }}_{e}&+\ 46.402\,{\ce {MeV}}\\{\ce {^{232}_{90}Th}}&{\ce {->}}&{\ce {^{208}_{82}Pb}}+6\alpha +4e^{-}+4{\bar {\nu }}_{e}&+\ 42.652\,{\ce {MeV}}\\{\ce {^{40}_{19}K}}&{\ce {->[{89.3\,\%}]}}&{\ce {^{40}_{20}Ca}}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}&+\ 1.311\,{\ce {MeV}}\\{\ce {^{40}_{19}K}}+e^{-}&{\ce {->[{10.7\,\%}]}}&{\ce {^{40}_{18}Ar}}+\nu _{e}&+\ 1.505\,{\ce {MeV}}\end{array}}$

Недра Земли излучают тепло со скоростью около 47 ТВт ( тераватт ). что составляет менее 0,1% поступающей солнечной энергии. Часть этих теплопотерь приходится на тепло, выделяющееся при распаде радиоактивных изотопов в недрах Земли. Остальные потери тепла происходят из-за векового охлаждения Земли, роста внутреннего ядра Земли (гравитационная энергия и скрытое тепло) и других процессов. Важнейшими тепловыделяющими элементами являются уран (U), торий (Th) и калий (K). Споры об их распространенности на Земле не завершились. Существуют различные оценки состава, при которых общая скорость внутреннего радиогенного нагрева Земли колеблется от ~ 10 ТВт до ~ 30 ТВт. находится около 7 ТВт тепловыделяющих элементов В земной коре . оставшаяся энергия распределяется в мантии Земли ; количество U, Th и K в ядре Земли , вероятно, незначительно. Радиоактивность в мантии Земли обеспечивает внутреннее нагревание, приводящее в действие мантийную конвекцию , которая является движущей силой тектоники плит . Количество мантийной радиоактивности и ее пространственное распределение — является ли мантия композиционно однородной в больших масштабах или состоит из отдельных резервуаров? — имеют важное значение для геофизики.

Существующий диапазон оценок состава Земли отражает наше непонимание того, какие процессы и строительные блоки ( хондритовые метеориты ) способствовали ее образованию. Более точное знание содержания U, Th и K в недрах Земли могло бы улучшить наше понимание современной динамики Земли и формирования Земли в ранней Солнечной системе . Подсчет антинейтрино, производимых на Земле, может ограничить модели геологического изобилия. Слабо взаимодействующие геонейтрино несут информацию о распространенности и расположении своих излучателей во всем объеме Земли, включая недра Земли. Извлечь информацию о составе мантии Земли из измерений геонейтрино сложно, но возможно. Это требует синтеза геонейтринных экспериментальных данных с геохимическими и геофизическими моделями Земли. Существующие данные о геонейтрино являются побочным продуктом измерений антинейтрино с помощью детекторов, предназначенных в первую очередь для фундаментальных исследований в области физики нейтрино. Будущие эксперименты, разработанные с учетом геофизических задач, принесут пользу наукам о Земле. Были выдвинуты предложения по созданию таких детекторов.

Прогноз геонейтрино

Прогнозирование сигнала геонейтрино на поверхности Земли в земных нейтринных единицах (TNU).

Радиогенное тепло от распада ²³² Th (фиолетовый) вносит основной вклад во внутренний тепловой баланс Земли . Другими крупными участниками являются ²³⁵ У (красный), ²³⁸ U (зеленый) и ⁴⁰ К (желтый).

Расчеты ожидаемого сигнала геонейтрино, предсказанного для различных эталонных моделей Земли, являются важным аспектом нейтринной геофизики. В этом контексте «эталонная модель Земли» означает оценку содержания тепловыделяющих элементов (U, Th, K) и предположения об их пространственном распределении на Земле, а также модель внутренней плотности структуры Земли. Безусловно, наибольшая разница существует в моделях численности, где было выдвинуто несколько оценок. Они прогнозируют, что общее производство радиогенного тепла составит всего ~10 ТВт. и до ~30 ТВт, обычно используемое значение составляет около 20 ТВт. Структура плотности, зависящая только от радиуса (например, предварительная эталонная модель Земли или PREM) с трехмерным уточнением излучения земной коры, обычно достаточна для предсказания геонейтрино.

Прогнозы сигналов геонейтрино имеют решающее значение по двум основным причинам: 1) они используются для интерпретации измерений геонейтрино и проверки различных предлагаемых моделей состава Земли; 2) они могут мотивировать разработку новых детекторов геонейтрино. Типичный поток геонейтрино на поверхности Земли составляет несколько × 10 ⁶ см ⁻² ⋅s ⁻¹ . Вследствие (i) высокого обогащения континентальной коры тепловыделяющими элементами (~7 ТВт радиогенной мощности) и (ii) зависимости потока от 1/(расстояния от точки излучения) ² , предсказанная картина сигнала геонейтрино хорошо коррелирует с распределением континентов. На континентальных участках большая часть геонейтрино производится локально в земной коре. Это требует создания точной модели земной коры, как с точки зрения состава, так и плотности, а это нетривиальная задача.

Эмиссия антинейтрино из объема V рассчитывается для каждого радионуклида по следующему уравнению:

${\frac {\mathrm {d} \phi (E_{{\bar {\nu }}_{e}},{\vec {r}})}{\mathrm {d} E_{{\bar {\nu }}_{e}}}}=10{\frac {\lambda XN_{A}}{M}}{\frac {\mathrm {d} n(E_{{\bar {\nu }}_{e}})}{\mathrm {d} E_{{\bar {\nu }}_{e}}}}\int \limits _{V}\mathrm {d} ^{3}{\vec {r}}'{\frac {A({\vec {r}}')\rho ({\vec {r}}')P_{ee}(E_{{\bar {\nu }}_{e}},|{\vec {r}}-{\vec {r}}'|)}{4\pi |{\vec {r}}-{\vec {r}}'|^{2}}}$

где d φ ( E _ν , r )/d E _ν — полностью осциллирующий энергетический спектр потока антинейтрино (в см ⁻² ⋅s ⁻¹ ⋅MeV ⁻¹ ) в позиции r (единицы м), а E _ν — энергия антинейтрино (в МэВ). В правой части ρ — плотность породы (в кг⋅м). ⁻³ ), A — содержание элемента (кг элемента на кг породы), X — естественная изотопная доля радионуклида (изотоп/элемент), M — атомная масса (в г⋅моль ⁻¹ ), N _A – константа Авогадро (в моль ⁻¹ ), λ — константа распада (в с ⁻¹ ), d n ( E _ν )/d E _ν — энергетический спектр интенсивности антинейтрино (в МэВ ⁻¹ , нормированное на число антинейтрино n _ν, образующихся в цепочке распада при интегрировании по энергии), а P _ee ( E _ν , L ) — вероятность выживания антинейтрино после прохождения расстояния L .Для области излучения размером с Землю полностью колеблющаяся энергозависимая вероятность выживания P _ee может быть заменена простым коэффициентом ⟨ P _ee ⟩ ≈ 0,55, средняя вероятность выживания. Интегрирование по энергии дает полный поток антинейтрино (в см ⁻² ⋅s ⁻¹ ) от данного радионуклида:

$\phi ({\vec {r}})=10{\frac {n_{{\bar {\nu }}_{e}}\langle P_{ee}\rangle \lambda XN_{A}}{M}}\int \limits _{V}\mathrm {d} ^{3}{\vec {r}}'{\frac {A({\vec {r}}')\rho ({\vec {r}}')}{4\pi |{\vec {r}}-{\vec {r}}'|^{2}}}$

Полный поток геонейтрино представляет собой сумму вкладов всех радионуклидов, производящих антинейтрино. Геологические данные — плотность и особенно содержание элементов — несут большую неопределенность. Неопределенность остальных параметров ядерной физики и физики элементарных частиц незначительна по сравнению с геологическими данными. В настоящее время предполагается, что уран-238 и торий-232 производят примерно одинаковое количество тепла в мантии Земли, и в настоящее время они вносят основной вклад в радиогенное тепло. Однако поток нейтрино не полностью отслеживает тепло от радиоактивного распада первичных радионуклидов , поскольку нейтрино не уносят постоянную долю энергии из цепочек радиогенного распада этих первичных радионуклидов .

Обнаружение геонейтрино

Механизм обнаружения

Приборы, измеряющие геонейтрино, представляют собой большие сцинтилляционные детекторы . Они используют обратную реакцию бета-распада — метод, предложенный Бруно Понтекорво , который Фредерик Рейнс и Клайд Коуэн использовали в своих новаторских экспериментах в 1950-х годах . Обратный бета-распад — это слабое взаимодействие заряженного тока, при котором электронное антинейтрино взаимодействует с протоном , образуя позитрон и нейтрон :

${\bar {\nu }}_{e}+p\rightarrow e^{+}+n$

В этом взаимодействии могут участвовать только антинейтрино с энергией выше кинематического порога 1,806 МэВ — разницы между энергиями массы покоя нейтрона плюс позитрона и протона. Отдав свою кинетическую энергию, позитрон быстро аннигилирует с электроном:

$e^{+}+e^{-}\rightarrow \gamma +\gamma$

С задержкой от нескольких десятков до нескольких сотен микросекунд нейтрон соединяется с протоном, образуя дейтрон :

$n+p\rightarrow d+\gamma$

Две световые вспышки, связанные с позитроном и нейтроном, совпадают во времени и в пространстве, что обеспечивает мощный метод отклонения фоновых одиночных вспышек (не антинейтрино) в жидком сцинтилляторе. Антинейтрино, производимые в искусственных ядерных реакторах, перекрываются по энергетическому диапазону с антинейтрино, образовавшимися геологически, и также подсчитываются этими детекторами.

Из-за кинематического порога этого метода обнаружения антинейтрино только геонейтрино самой высокой энергии из ²³² и ²³⁸ Могут быть обнаружены цепочки распада U. Геонейтрино из ⁴⁰ K-распад имеет энергию ниже порога и не может быть обнаружен с помощью реакции обратного бета-распада. Физики-экспериментаторы разрабатывают другие методы обнаружения, которые не ограничены энергетическим порогом (например, рассеяние антинейтрино на электронах) и, таким образом, позволят обнаруживать геонейтрино в результате распада калия.

Об измерениях геонейтрино часто сообщают в единицах земного нейтрино (TNU; аналогия с единицами солнечного нейтрино ), а не в единицах потока (см ⁻² с ⁻¹ ). TNU специфичен для механизма обнаружения обратного бета-распада с протонами. 1 TNU соответствует 1 событию геонейтрино, зарегистрированному в течение года полностью эффективного воздействия 10 ³² свободных протонов, что примерно соответствует количеству свободных протонов в жидкостном сцинтилляционном детекторе мощностью 1 килотонна. Преобразование единиц потока в TNU зависит от соотношения содержания тория и урана (Th/U) в эмиттере. При Th/U=4,0 (типичное значение для Земли) поток 1,0 × 10 ⁶ см ⁻² с ⁻¹ соответствует 8,9 ТНУ.

Детекторы и результаты

Схема детектора антинейтрино KamLAND .

Существующие детекторы

KamLAND (Жидкий сцинтилляционный детектор антинейтрино Камиока) — детектор мощностью 1,0 килотонны, расположенный в обсерватории Камиока в Японии. Результаты, основанные на времени жизни 749 дней и представленные в 2005 году, знаменуют первое обнаружение геонейтрино. Общее число антинейтринных событий составило 152, из них геонейтрино было от 4,5 до 54,2. Этот анализ установил верхний предел радиогенной мощности Земли в 60 ТВт. ²³² и ²³⁸ В.

В обновлении результатов KamLAND в 2011 году использовались данные за 2135 дней работы детектора, а также улучшенная чистота сцинтиллятора, а также снижение фона реактора в результате 21-месячной остановки электростанции Касивадзаки-Карива после Фукусимы . Из 841 события-кандидата антинейтрино 106 были идентифицированы как геонейтрино с использованием небинированного анализа максимального правдоподобия. Было обнаружено, что ²³² и ²³⁸ Вместе вы генерируете 20,0 ТВт радиогенной энергии.

Borexino — это детектор мощностью 0,3 килотонны в Лаборатори Национали дель Гран Сассо недалеко от Аквилы , Италия. В результатах, опубликованных в 2010 году, использовались данные, собранные за 537 дней. Из 15 событий-кандидатов анализ максимального правдоподобия без группировки определил 9,9 как геонейтрино. Гипотеза нулевого геонейтрино была отвергнута на уровне достоверности 99,997% (4,2σ). Данные также опровергли гипотезу о наличии в ядре Земли активного геореактора мощностью более 3 ТВт при 95% КЛ.

Измерение 2013 года в течение 1353 дней выявило 46 «золотых» кандидатов в антинейтрино с 14,3 ± 4,4 идентифицированными геонейтрино, что указывает на мантийный сигнал TNU 14,1 ± 8,1, установило предел 95% CL для мощности геореактора в 4,5 ТВт и обнаружило ожидаемую сигналы реактора. В 2015 г. Borexino представил обновленный спектральный анализ геонейтрино на основе 2056 дней измерений (с декабря 2007 г. по март 2015 г.) с 77 событиями-кандидатами; из них только 24 идентифицированы как геонетрино, а остальные 53 события происходят из европейских ядерных реакторов. Анализ показывает, что земная кора содержит примерно такое же количество U и Th, что и мантия, а суммарный радиогенный тепловой поток от этих элементов и их дочерних элементов составляет 23–36 ТВт.

SNO+ — это детектор мощностью 0,8 килотонн, расположенный в SNOLAB недалеко от Садбери , Онтарио, Канада. SNO+ использует оригинальную экспериментальную камеру SNO . Детектор находится на ремонте и, как ожидается, начнет работать в конце 2016 или 2017 года.

Планируемые и предлагаемые детекторы

• Ocean Bottom KamLAND-OBK OBK — это жидкостный сцинтилляционный детектор мощностью 50 килотонн для использования в глубоком океане.
• JUNO (Подземная нейтринная обсерватория Цзянмэнь, веб-сайт ) — это жидкостный сцинтилляционный детектор мощностью 20 килотонн, который в настоящее время строится в Южном Китае. Детектор JUNO планируется ввести в эксплуатацию в 2023 году.
• Jinping Neutrino Experiment — это жидкостный сцинтилляционный детектор мощностью 4 килотонны, который в настоящее время строится в Китайской подземной лаборатории Цзиньпин (CJPL), завершение которого запланировано на 2022 год.
• LENA (Low Energy Neutrino Astronomy, веб-сайт ) — это предлагаемый жидкостный сцинтилляционный детектор мощностью 50 килотонн в рамках проекта LAGUNA . Предлагаемые площадки включают Центр подземной физики в Пюхясалми (CUPP), Финляндия (предпочтительно) и Лабораторию Сутеррен де Модан (LSM) во Фрежюсе, Франция. Этот проект, похоже, отменен.
• в DUSEL (Глубокая подземная научно-техническая лаборатория) в Хоумстейке в Лиде, Южная Дакота, США
• в БНО (Баксанская нейтринная обсерватория) в России.
• ЗЕМЛЯ (Земля Антинейтрино ТомографГи)
• Ханохано (Гавайская антинейтринная обсерватория) — предлагаемый глубоководный портативный детектор. Это единственный детектор, предназначенный для работы вдали от континентальной коры Земли и ядерных реакторов с целью повышения чувствительности к геонейтрино из мантии Земли.

Желаемые технологии будущего

• Направленное обнаружение антинейтрино. Определение направления, откуда прибыло антинейтрино, помогло бы отличить сигнал корового геонейтрино и реакторного антинейтрино (большинство антинейтрино прибывает почти горизонтально) от мантийных геонейтрино (гораздо более широкий диапазон углов падения).
• Обнаружение антинейтрино из ⁴⁰ К распад. Поскольку энергетический спектр антинейтрино из ⁴⁰ K-распад полностью оказывается ниже пороговой энергии реакции обратного бета-распада (1,8 МэВ), поэтому необходимо использовать другой механизм обнаружения, такой как рассеяние антинейтрино на электронах. Измерение численности ⁴⁰ K внутри Земли ограничит запас нестабильных элементов Земли.

Дальнейшее чтение

• Краситель, ST, изд. (2007). Нейтринная геофизика: Труды нейтринных наук 2005 . Дордрехт, Нидерланды: Springer. дои : 10.1007/978-0-387-70771-6 . ISBN  978-0-387-70766-2 .
• Макдонаф, ВФ; Узнал, Дж.Г.; Дай, СТ (2012). «Множество применений электронных антинейтрино». Физ. Сегодня . 65 (3): 46–51. Бибкод : 2012ФТ....65с..46М . дои : 10.1063/PT.3.1477 .

Внешние ссылки

• Deep Ocean Neutrino Sciences описывает проекты по обнаружению глубоководных геонейтрино со ссылками на семинары.
• На конференции Neutrino Geoscience 2015 представлены доклады экспертов, охватывающих практически все области геонейтринной науки. Сайт также содержит ссылки на предыдущие встречи «Нейтринные геонауки».
• Geoneutrinos.org — это интерактивный веб-сайт, позволяющий просматривать спектры геонейтрино в любой точке Земли (см. вкладку «Реакторы») и манипулировать глобальными моделями геонейтрино (см. вкладку «Модель»).