В мире химии

успешные сцинтилляционные измерения антинейтрино

29 июля 2005
Сердце Земли в значительной степени — тайна: учёные не могут отправиться к ядру нашей планеты и посмотреть, что там внутри. До сих пор у геологов был всего один инструмент — сейсмология. Но вот произошёл прорыв: количество инструментов удвоилось. На помощь пришли неуловимые частицы.

Страшное дело, речь пойдёт о позитронных нейтрино, они же антинейтрино, рождённые в недрах Земли, а потому именующиеся геонейтрино (geoneutrinos). Однако не бойтесь, всё не так тяжеловесно и скучно, как кажется на первый взгляд.

Это раньше нейтрино были сферой интересов лишь фундаментальной физики и астрофизики. Сегодня же они переместились, так сказать, в практическую плоскость: элементарная частица с нулевой массой начала помогать нам в изучении геологии Земли.



В описании к этой иллюстрации говорится, что "левая половина показывает распределение производства геонейтрино, обнаруженного в KamLAND, а правая показывает геологическую структуру". Красный участок — это детектор и есть (иллюстрация с сайта kamland.stanford.edu)

Радостная новость поступила от 87 учёных из 14 научных учреждений Японии, США, Китая и Франции. Смысл сообщение вкратце звучит так: жидкий сцинтилляционный детектор антинейтрино KamLAND (Kamioka Liquid-scintillator Anti-Neutrino Detector) может использоваться как уникальное окно внутрь нашей планеты и обеспечить человечество ранее недоступной информацией о температуре Земли.



Оцените KamLAND в разрезе (иллюстрация с сайта kamland.lbl.gov)

Установка KamLAND заслуживает того, чтоб о ней рассказали поподробнее. Это самый большой в своём роде детектор в мире. Комплекс расположен под землёй, точнее – в горных пещерах острова Хонсю.

Детектор состоит из бывшего метеозонда, воздушного шара диаметром 13 метров, заполненного тысячей тонн жидкого сцинтиллятора — химическим "супом", который испускает вспышку света, если поступающее антинейтрино сталкивается с протоном.

Шар с "коктейлем" находится в другом, стальном шаре диаметром 18 метров, внутренняя поверхность которого облицована 1879 фотоэлектронными умножителями — датчиками света, обнаруживающими вспышки и преобразующими их в электронные сигналы для компьютерного анализа.



Почти 2 тысячи фотоэлектронных умножителей фиксируют вспышки (фото с сайта lbl.gov)

Таким образом, благодаря KamLAND появляется шанс, что нейтрино или антинейтрино, способные пролететь всю Землю насквозь, "напорются" на протон, и учёные это зафиксируют, извлекут полезную информацию. В последние два года установка определяет, в среднем, по одной неуловимой частице в месяц.

Но вот теперь учёные объявили о "поимке" частицы, пришедшей не из космоса, а из земных недр. Этим самым подземный детектор и обрадовал исследователей, пытающихся разобраться в источниках высокой температуры внутри планеты.

По последним оценкам, суммарная тепловая мощность Земли составляет 31 триллион ватт. По большей части, это повторно излучённая энергия, полученная от Солнца, но почти половина производится "внутренностями" планеты.

Частично этот поток тепла, как известно, обеспечивает радиоактивность, но какова её доля, сказать было трудно, потому что до сих пор не было никакого точного способа измерения — сейсмические волны и бесхитростный химический анализ помочь тут не могут. А KamLAND, как выяснилось – да. Послушаем, что говорят о прорыве сами учёные.

"Это первый датчик, достаточно чувствительный, чтобы "поймать" геонейтрино, произведённые в Земле в результате распада урана-238 и тория-232, — объясняет физик-ядерщик из Беркли (Berkeley Lab) Стюарт Фридман (Stuart Freedman). — Так как геонейтрино, произведённые в результате распада этих изотопов, имеют чрезвычайно низкую вероятность взаимодействия, они безмятежно размножаются в Земле, и измерение около поверхности может дать информацию об их источниках".

Проще говоря, когда в недрах планеты происходит радиоактивный распад урана и тория, выпускаются неуловимые частицы. Теперь исследователи научились их улавливать и изучать то, что они несут — информацию о своём происхождении.

"Теперь диагностический инструмент для внутренностей Земли в наших руках. Впервые мы можем сказать, что нейтрино имеют практический интерес для других областей науки", — признаётся Ацуто Судзуки (Atsuto Suzuki) из университета Тохоку (Tohoku University).



На строительство детектора было затрачено больше $20 миллионов (схема с сайта dnp.nscl.msu.edu)

"Я думаю, что результаты многонационального сотрудничества на KamLAND очень интересны, — соглашается Деннис Ковар (Dennis Kovar) из Минэнерго США (DOE), — они указывают, что наука имеет новый мощный инструмент для того, чтобы глубоко заглянуть в ядро нашей планеты".

"Мы установили, что KamLAND может служить уникальным и ценным инструментом для исследования геонейтрино и иметь всестороннее применение для создания физических и геохимических моделей Земли", — продолжает Стюарт Фридман.



А так KamLAND выглядит в реальности (фото с сайта lbl.gov)

"Первое обнаружение антинейтрино под нашими ногами — очень значимый результат, — пишет Уильям Макдоно (William McDonough) из университета Мэриленда (University of Maryland), — это позволит нам лучше оценить распределение радиоактивных элементов в Земле и сумму высоких температур".

"По существу, мы знаем только кору нашей планеты. Мы можем бурить скважины в несколько километров глубиной, но дальше у нас нет доступа, — объясняет физик Джорджио Гратта (Giorgio Gratta) из Стэнфорда (Stanford University). То, что произошло, можно считать революцией. Но прежде, чем она действительно произойдёт, я думаю, понадобится некоторое время, десятилетие или два. Измерения проводить очень трудно, аппаратура стоит очень дорого".

Точные измерения высокой температуры, произведённой земной радиоактивностью, учёные всё же надеются провести и оборудование новое запустить – тоже. Возможно, лет через 10 они смогут собирать по одному геонейтрино каждый день.

Кстати, вскоре частицами займётся другой, подобный KamLAND детектор: установка Borexino, как ожидается, начнёт работу в 2006 году в Италии.

В мире химии

Другие новости

15 июня 2014 Самое интересное в химии в 2006 году

Ежегодно в декабрьском выпуске журнала Американского химического общества Chemical & Engineering News приводится своеобразный дайджест наиболее интересных публикаций и открытий, увидевших свет в уходящем году. Вот некоторые из них: В области органической химии прогресс был достигнут как в синтезе ...


6 мая 2009 Достижения египетской химии актуальны для современной науки

Египетская лазурь (Egyptian blue, искусственный краситель, который впервые был получен около 2500 до н.э., сможет найти применение в наши дни для биомедицинского анализа, телекоммуникационной и лазерной техники.


23 февраля 2017 Самопроизвольное образование кристаллов

При образовании изящно закрученных кристаллов в морских раковинах неорганические ионы организуются в структуры при участии белков или низкомолекулярных биомолекул. Как это ни удивительно, подобного типа кристаллы могут быть получены в...