Оценка содержания урана и тория с помощью геонейтрино
Внутреннее тепло планеты происходит из двух основных источников: остаточной энергии, накопленной в результате столкновений между планетезималями во время аккреции планеты, и последующего распада радиоактивных элементов, заключенных в этом материале. Уран (U), торий (Th) и калий внесли значительный вклад во внутренний энергетический баланс Земли, и величина этого вклада является ключевым ограничением эволюции недр. Однако, поскольку они расположены глубоко внутри Земли, количество этих элементов до сих пор было трудно оценить.
Детектор KamLAND, показанный выше, может обнаруживать электронные антинейтрино, образующиеся в результате распада урана и тория глубоко внутри Земли, когда они сталкиваются с атомными ядрами.
Авторы и права: Исследовательский центр нейтрино, Университет Тохоку.
В своем исследовании, опубликованном в Geophysical Research Letters (Abe et al), учёные представляют новые, значительно более жесткие ограничения на содержания урана и тория, измеренные с использованием уникального наблюдательного окна: обнаружение земных электронных антинейтрино. Эти антинейтрино испускаются во время бета-распада 238U и 232Th, а затем беспрепятственно проходят через Землю. Крошечная часть этих частиц затем может быть измерена с помощью эксперимента, называемого детектором антинейтрино с жидким сцинтиллятором Kamioka (KamLAND).
Компания KamLAND со штаб-квартирой в Хида, Гифу, Япония, расположена на глубине 1000 метров в заброшенной шахте. Он использует большой чан с жидкостью, чтобы вызвать реакцию бета-распада, в которой поступающее антинейтрино поражает атомное ядро и превращает протон в нейтрон и позитрон. Затем эти частицы могут быть обнаружены детектором.
KamLAND изначально предназначался для наблюдения за антинейтрино, испускаемыми японскими коммерческими ядерными реакторами. Однако после аварии на АЭС Фукусима в 2011 году все эти реакторы были остановлены. Внезапное отсутствие искусственно созданных антинейтрино резко повысило чувствительность KamLAND к антинейтрино природного происхождения. В общей сложности авторы представляют данные за 18 лет, почти половина из которых зарегистрирована с момента остановки японских реакторов.
Исследователи сравнивают наблюдаемый поток антинейтрино с предсказанным тремя моделями содержания урана и тория в мантии. Эти модели соответствуют трем уровням подводимого к интерьеру тепла: низкому (10–15 тераватт), среднему (17–22 тераватта) и высокому (более 25 тераватт). Они рассматривают два варианта каждой модели: один с радиоизотопами, равномерно распределенными по всей мантии, и один с их концентрацией на границе ядро-мантия.
Данные исключают оба варианта высокотемпературной модели с достоверностью более 97%. Поскольку эта модель была построена для обеспечения тепла, необходимого для поддержания мантийной конвекции, она предполагает, что наше понимание этой конвекции может потребовать некоторых изменений.
