Нейтрино завжди вважалися марними частинками. Вони не тільки не входять до складу речовини, з якого складені ми самі і все, що нас оточує, але практично з ним абсолютно не взаємодіють.
Нейтрино вільно летять куди завгодно, хоч за межі нашої Галактики до кордонів спостережуваного космосу. Суперцивілізація з дуже просунутими ядерними технологіями могла б виявити нашу планету по її нейтрино випромінювання з величезних дистанцій. А якби її вчені помітили на загальному нейтринном тлі нововідкритого небесного тіла ще і точкове випромінювання від реакторів, вони могли б, мабуть, прийти до висновку, що його мешканці оволоділи атомною енергією.
Як люблять нагадувати популяризатори науки, нейтрино з енергією порядку 1 МеВ вільно пройшло б через шар свинцю товщиною в один світловий рік. З цієї причини опромінення будь-якими дозами нейтрино абсолютно нешкідливо. Ядерний реактор гігаватного потужності за одну секунду випромінює 1023 антинейтрино, які ні для кого не є небезпечними. Їх помічають тільки спеціальні детектори, які відстежують режим його роботи. Це потрібно як для оптимізації енергетичного виходу, так і для запобігання несанкціонованого вилучення плутонію з паливних стрижнів і його подальшого використання в якості ядерної вибухівки. До недавнього часу ніхто не думав про інше застосування технологій реєстрації нейтрино потоків, крім як для моніторингу роботи реакторів. Але часи змінюються.
Антінейтріновое світило
Уран - найрідкісніший хімічний елемент Сонячної системи. А ось на Землі його на добро або на зло для людства, цілком достатньо.
Різні геологічні моделі оцінюють кількість урану-238 в корі і мантії неоднозначно, але і без великого розкиду - в середньому сто трильйонів тонн. Плюс вчетверо більше радіоактивного торію, плюс інші довгоживучі нестабільні ізотопи, перш за все калій-40. Вони зазнають бета-розпад, при якому один з нейтронів атомного ядра перетворюється в протон з випусканням електрона і електронного антинейтрино. Ці процеси породжують антинейтринного випромінювання, яке залишає Землю і несеться в космічний простір. Один квадратний сантиметр земної поверхні щомиті викидає в космос 6 млн електронних антинейтрино. У цьому сенсі нашу планету цілком можна назвати антинейтринного зіркою.
Геонейтріновая телескопи
Наша наука поки не здатна відстежувати екзопланети і тим більше позаземні цивілізації по їх нейтрино випромінювання (хоча потік нейтрино, який супроводжував спостерігався в 1987 році вибух наднової у Великій Магеллановій Хмарі, був успішно зареєстрований).
Однак детектори цих невловимих частинок вже стають ефективним інструментом моніторингу земних надр. Поки такі дослідження знаходяться в початковій стадії, але геологи і геохімік бачать за ними велике майбутнє. Зараз вони ведуться на двох підземних установках - KamLAND в Японії і Borexino в Італії. Японський детектор вперше відловив антинейтрино з земних надр в 2005 році, італійський - в 2010-му. Обидві установки були побудовані перш за все заради потреб фундаментальної фізики, але, як виявилося, можуть попрацювати і для наук про Землю. Цієї весни до них підключиться новітній детектор антинейтрино SNO +, встановлений на двокілометровій глибині в нейтринної обсерваторії Седбюрі в канадській провінції Онтаріо.
підземний очей
Детектор Borexino розташований всередині гори Гран-Сассо в Італії і захищений від космічних променів 1400 метрів гірської породи (еквівалентно 3,5 км води). Зовнішня ємність зі надчистої водою захищає від нейтронів і гамма-квантів, що випромінюються радіоактивними елементами в складі гірських порід. Внутрішній об'єм розділений на три частини нейлоновими оболонками, що запобігають міграцію радону в сцинтилятор. Дві зовнішні буферні зони заповнені псевдокумолом (1,2,4-тріметілбензолом), а внутрішній (довірчий) обсяг - органічним сцинтилятором, псевдокумолом з невеликим додаванням флуоресціюючого агента (1,5 г / л) 2,5-діфенілоксазола. Взаємодіючи з нейтрино в сцинтилятор, електрони породжують сліди у вигляді черенковского випромінювання, яке засікає фотопомножувачі.
Заради чого потрібно відстежувати геонейтрино, як їх називають фахівці? По-перше, таким шляхом можна уточнити кількість і склад довгоживучих радіонуклідів в земній корі і глибоко під нею, можливо навіть, що і в ядрі. Зібрані дані вже дозволили (з ймовірністю 97%) спростувати теорію, згідно з якою Земля нагрівається зсередини тільки за рахунок радіоактивних розпадів, а все внутрішнє тепло, накопичене за її формуванні з допланетного речовини, давно розсіялася в космосі.
Реактори природні і рукотворні
Професор геології Мерілендського університету Вільям Мак-Доно розповів «ПМ» про інші можливості використання нейтронних детекторів:
«Наприклад, вони допоможуть остаточно розібратися з гіпотезою про існування в надрах Землі природних ядерних реакторів. Поки вона нічим не підтверджена і, можливо, є хибною, але має своїх прихильників. Якщо такі реактори і справді існують, вони повинні давати специфічні нейтринні підписи, які можна буде зареєструвати ».
Нейтринний детектор Borexino за структурою нагадує матрьошку - для максимального екранування від будь-яких інших частинок, крім нейтрино.
Сьогоднішні детектори геонейтрино - це стаціонарні прилади тисячотонні маси. У перспективі можна прогнозувати розробку мобільних детекторів для розміщення на океанському дні. З їх допомогою можна буде картировать зони кори і мантії з підвищеною концентрацією урану і торію, проводячи нейтринну томографію земних надр. Геологи вже говорять про майбутні нейтронних телескопах, які переглядають глибини нашої планети. Для них знадобляться нові детектори, які дозволять з хорошою точністю визначати напрямок нейтронних потоків. Завдання непросте, але в принципі вирішувана.
Ті ж телескопи можна буде використовувати і для контролю за поширенням ядерних озброєнь і ядерних технологій подвійного призначення. Правда, це справа не найближчого майбутнього - спочатку необхідно детально перевірити природний нейтринний фон нашої планети.
Стаття «Антинейтрино в роботі» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №2, Березень 2013 ).
Заради чого потрібно відстежувати геонейтрино, як їх називають фахівці?