Есть польза от нейтрино на Земле

// // Научно-популярные материалы //

С момента теоретического предсказания и до настоящего момента самыми бесполезными элементарными частицами физики считали нейтрино. Такую репутацию они заслужили благодаря отсутствию их в составе материального вещества, а также взаимодействия с ним.

Таким образом нейтрино способны беспрепятственно перемещаться от одного края космоса к другому, неся без потерь различную информацию. Например, если бы нашлась такая суперцивилизация, овладевшая продвинутыми технологиями контролирования ядерных и субъядерных взаимодействий, то, без всякого сомнения, можно предполагать, что ее ученые смогли бы отсеять ненужный шум и выделить нейтринный сигнал планеты Земля. А расшифровав этот сигнал и выявив точечные радиоизлучения (от АЭС), эта цивилизация без труда смогла бы идентифицировать нашу планету как населенную разумными существами, находящимися на уровне контроля над ядерными реакциями.

В научно-популярной литературе довольно часто приводится такой сравнительный пример, демонстрирующий высокую проникающую способность нейтрино – частица с энергией 1 МэВ способна беспрепятственно пройти сквозь свинцовый слой толщиной 1 св. год. Благодаря такой низкой способности к реакции с веществом любые дозы облучения нейтрино для человека безвредны. Так, абсолютно никакого воздействия не получает человек, находящийся на АЭС мощностью 1 ГВт, хотя за 1 секунду в ней, в результате ядерных реакций, образуется до 10²³ антинейтрино.

Для идентификации количества и мощности нейтрино используются специальные детекторы, выполняющие в составе реакторов мониторинг параметров системы в различных режимах работы. Отслеживание изменения рабочих параметров системы реактора необходимо проводить для повышения эффективности (оптимизации) энергетического выхода. Кроме того, в сложившихся политических условиях наличие таких детекторов способно предотвратить несанкционированный вынос топливных стержней с плутонием с целью его дальнейшей продажи, ведь плутоний отличное сырье для производства ядерных взрывчаток.

Нашей планетой ежесекундно излучается 6 млн. антинейтрино с 1 кв. см поверхности, что позволяет без преувеличения назвать ее антинейтринной звездой. Одной из причин такого интенсивного антинейтринного излучения является наличие в земной коре большого количества радиоактивных элементов. Например, хотя уран и является одним из самых редких химических элементов в Солнечной системе, на Земле его предостаточно – по различным оценкам геологов среднее количество в мантии и коре урана-238 составляет 100 трлн. т. Кроме того, существенный вклад в количество радиоактивных веществ на Земле вносит торий, калий-40 и другие нестабильные долгоживущие изотопы. Для всех них характерно прохождение через бета-распад – ядерную реакцию превращения одного из нейтронов ядра в протон, при которой происходит испускание электрона и антинейтрино (электронного), поток которого беспрепятственно уносится в космос.

В настоящее время человечество находится на такой ступени развития, когда еще не придуманы технологии отслеживания экзопланет, а тем более внеземных цивилизаций, с использованием анализа нейтринного излучения. Однако более мощные потоки нейтрино были успешно отслежены и зафиксированы, например, взрыв в Большом Магеллановом Облаке сверхновой в 1987 году. Функционирующие в настоящее время детекторы нейтрино используются в качестве эффективного инструмента мониторинга недр Земли. Исследования в данной области находятся на начальном уровне, однако, по мнению большинства геологов и геохимиков, именно за данной технологией будущее исследовательско-поисковых работ.

Основная часть исследований проводится на двух установках, расположенных глубоко под землей – японской KamLAND и итальянской Borexino.На японском детекторе первый сигнал земного антинейтрино был зафиксирован в 2005 году, а на итальянском – в 2010 году. Основная задача данных установок заключалась в удовлетворении нужд физиков-фундаменталистов, однако полученные результаты позволяют использовать их и для изучения Земли. Вскоре ожидается присоединение к двум этим детекторам третьего SNO+, в котором использованы новейшие разработки. Он будет смонтирован в Сэдбюри (нейтринная обсерватория), расположенной в провинции Онтарио, Канада. Глубина залегания обсерватории составляет 2 км.

Получение данных о реальной интенсивности геонейтринного излучения и его изменении во времени позволит, по мнению специалистов, значительно уточнить количественный и качественный радионуклидный состав земной коры и нижележащих слоев, включая ядро. Уже собрано достаточно экспериментальных данных, которые с вероятностью 97% свидетельствуют против теории о нагревании Земли лишь за счет энергии, высвобождаемой при радиоактивных распадах. При этом предполагается, что внутреннее тепло, присутствовавшее в допланетном веществе, полностью рассеялось в космос.

Среди других возможностей применения функций нейтринного детектора можно отметить практическую проверку гипотезы, предполагающей наличие глубоко под землей ядерных реакторов природного происхождения. Данная теория не имеет никаких подтверждений истинности и вероятнее всего ошибочна, однако у нее имеются сторонники. Наличие таких реакторов привело бы к излучению ими антинейтринного излучения специфической структуры, которые могут быть зафиксированы регистрационной аппаратурой (детекторами). На современном этапе такая аппаратура является стационарной и обладает массой в несколько тысяч тонн. Ученые предполагают, что в скором будущем станет возможно создание детекторов мобильного типа, приспособленных для размещения на дне океана.

Основным назначение подобных детекторов будет картирование зон мантии и коры, имеющих повышенную концентрацию тория и урана, а также проведение нейтринной томографии внутренней структуры планеты. Геологи представляют нейтринные детекторы в виде телескопов, способных визуально проникать в глубины Земли. Разработка новых типов детекторов, способных поднять их разрешающую способность на новый уровень, позволит значительно упростить решение данной непростой задачи. Кроме того, модернизация существующих технологий позволит более тщательно выполнять контроль над распространением ядерных технологий и вооружений, угрожающих безопасности человечества.

В ближайших планах исследовательских групп – определение структуры естественного нейтринного фона нашей планеты.