На глубине двух километров в канадском руднике Креньтон расположен огромный детектор, окружённый семьюдесятью тысячами тонн исключительно чистой воды. Для доступа к оборудованию при техническом обслуживании используются надувные лодки. Это подземное помещение находится в почти полной темноте, что необходимо для регистрации редчайших частиц, которые беспрепятственно пронизывают всю планету и крайне редко взаимодействуют с материей.
Установка SNO+ создана на основе большой сферы из акрила. В её полости содержится семьсот восьмидесят тонн светоизлучающей жидкости — органического вещества, которое генерирует короткие световые импульсы при столкновении с высокоэнергичными частицами. Примерно десять тысяч чувствительных детекторов света расположены вокруг этой сферы и фиксируют слабые всполохи. Окружающий слой абсолютно чистой воды и два километра каменной породы сверху защищают прибор от космического излучения, которое иначе помешало бы регистрации редких событий внутри.
Даже обычное спускание в лабораторию требует тщательной подготовки. Во время путешествия по шахтным тоннелям на одежде и телесной поверхности скапливаются микроскопические частицы радиоактивной пыли, включая радоновые компоненты. Перед входом в стерильную зону сотрудники снимают всю шахтную одежду, принимают ванну, надевают новые чистые костюмы и закрывают волосы. Даже ничтожное загрязнение способно создать помеху, поскольку эксперимент предназначен для регистрации чрезвычайно редких взаимодействий.
Главное внимание в новых исследованиях направлено на геонейтрино — частицы, возникающие при радиоактивных превращениях в глубоких слоях Земли. Обычные нейтрино исключительно сложно обнаружить. Масса нейтрино чрезвычайно мала — примерно миллионная доля массы электрона; частица не имеет электрического заряда. Нейтрино взаимодействует с веществом крайне редко, поэтому ежесекундно через человеческий организм проходят триллионы таких частиц, в основном возникших на Солнце. За долгие годы работы больших детекторов физики получили всего несколько сотен тысяч зарегистрированных взаимодействий.
Геонейтрино встречаются среди обнаруженных частиц ещё реже. За многие годы наблюдений физики скопили только несколько сотен зафиксированных событий. Эта ограниченная статистика ценна благодаря особенности: геонейтрино приходят непосредственно из земной коры и позволяют судить о явлениях на глубинах, которые недоступны для бурения и иных методов исследования.
Земля получает внутреннюю тепловую энергию из двух главных источников. Отчасти это энергия, оставшаяся с момента образования планеты, отчасти это тепло, постоянно образующееся при распаде радиоактивных элементов — урана, тория и калия в земной коре и мантии. Это внутреннее тепло обеспечивает циркуляцию вещества в мантии и воздействует на процессы тектонических перемещений плит и теплообмена глубоко внутри планеты. Без постоянного выделения тепла от радиоактивного распада Земля охладилась бы значительно сильнее за миллиарды лет и потеряла бы большую часть своей геологической активности.
Геонейтрино помогают определять количество радиоактивных веществ по сигналам, поступающим непосредственно из глубины Земли. Традиционные подходы позволяют геологам получать образцы из поверхностных слоёв и сравнительно неглубоких участков, использовать волновые данные от землетрясений и выполнять расчёты на основе установленных геохимических схем. Нейтрино проходят через огромный объём горных пород практически без помех, поэтому несут информацию из регионов, которые неподвластны прямому изучению.
Первое геонейтрино обнаружил японский прибор KamLAND в две тысячи пятом году. В две тысячи девятом году итальянский Borexino зарегистрировал несколько десятков дополнительных событий. SNO+ получил начальные сведения в ноябре две тысячи двадцать пятого года и добавил примерно пятьдесят новых геонейтрино к всемирной статистике. Канадское исследование внесло особо значимый вклад: впервые геонейтрино были зарегистрированы в Западном полушарии.
Сопоставление трёх установок выявило неожиданное открытие. Хотя погрешности всё ещё велики, но поток геонейтрино из мантии, определённый разными детекторами, различается в зависимости от расположения. Borexino регистрирует высокий поток, KamLAND фиксирует низкий поток, а информация от SNO+ находится в середине. Это расхождение пока не доказывает неоднородность химического состава мантии, но предоставляет физикам конкретное предположение для верификации.
В базовых геохимических схемах радиоактивные вещества распределены в мантии сравнительно равномерно. Каменные материалы внутри планеты медленно перемещаются и смешиваются в течение миллиардов лет, поэтому значительные различия в содержании урана и тория нуждаются в специальном обосновании. Различный поток геонейтрино в разных районах планеты может свидетельствовать о другом распределении: определённые части мантии способны содержать большую концентрацию радиоактивных элементов, чем соседствующие с ними области.
Особое внимание привлекают две огромные структуры у границы между мантией и ядром: одна находится под Африканским континентом, вторая — под Тихим океаном. В научной литературе их именуют крупными объёмами с пониженной скоростью сдвига, или LLSVP. Исследователи сейсмических волн обнаружили эти структуры, анализируя поведение поперечных волн от землетрясений: в границах LLSVP волны распространяются медленнее, чем в прилежащей мантии. Каждая структура имеет размер в несколько тысяч километров.
Области с наиболее значительным предполагаемым выходом геонейтрино приблизительно располагаются над крупными подземными образованиями. Совпадение не достаточно убедительно для прямого заключения, однако позволяет предположить повышенное содержание определённых элементов внутри LLSVP. Проверка такого предположения дала бы геологам дополнительный инструмент для анализа химического состава мантии на большой глубине. Несколько приборов, расставленные по разным регионам, дали бы возможность сравнивать содержание радиоактивных элементов под разными участками земной поверхности.
Главная трудность состоит в самой методике измерения. Детектор не выдаёт готовый перечень геонейтрино из мантии. Среди большого числа фиксируемых событий физикам нужно постепенно исключать сигналы другого происхождения и подсчитывать, какая часть остающегося потока могла поступить из различных глубин Земли.
В начале исключают частицы, не соответствующие нужному уровню энергии. Добавочную проверку проводят, используя спиральность — величину, которая определяет позицию спина частицы по отношению к её направлению полёта. После этого вычисляют вклад нейтрино от атомных станций. Детектор фиксирует взаимодействие, однако место происхождения по одному световому импульсу установить невозможно, поэтому известные источники антропогенного происхождения требуется учитывать с помощью вычислений и вычитать из полного количества событий.
Наиболее существенные трудности создаёт земная кора. Уран и торий присутствуют не только в мантии, но и в горных формациях существенно ближе к поверхности. Особенно значительно на итоговый результат оказывает влияние геологическое строение в радиусе нескольких сотен километров от прибора. Исследователи анализируют строение и толщину близлежащих горных слоёв, моделируют вероятный поток геонейтрино из коры и отнимают полученное значение. Оставшееся значение приписывают сигналу из мантии. Каждое неточное значение в геологической модели повышает ошибку окончательного результата.
Для SNO+ работа усложняется месторасположением. Район Садбери образовался в результате падения массивного небесного объекта примерно полтора миллиарда лет назад. Древний ударный кратер значительно изменил близлежащие горные породы, и геологическое строение местности известно не полностью. Чтобы различить влияние коры от сигнала из мантии, исследователям требуется детальная схема радиоактивности окружающих пород.
Ещё одна неясность касается полного объёма радиоактивного материала внутри планеты. Согласно текущим оценкам, выделение энергии от распада радиоактивных элементов способно обеспечивать от довольно малой доли до половины полной тепловой мощности мантии. Разница между предельными оценками по энергии сравнима с выработкой десятков тысяч АЭС.
Большой диапазон вариативности затрудняет выявление химических отличий между отдельными районами мантии. Различные варианты размещения радиоактивных элементов будут незначительно менять интенсивность геонейтрино, однако предполагаемая разница мала. Слабый эффект теряется на фоне случайной погрешности, неточностей модели земной коры и неопределённости полного количества радиоактивных веществ. Исходя из современных результатов, нельзя утверждать окончательно, что в Западном полушарии действительно больше радиоактивного вещества, чем в Восточном.
Намного больший объём информации должна предоставить китайская станция JUNO, расположенная в земле провинции Цзянмэнь. Станция начала функционировать в августе две тысячи двадцать пятого года и содержит двадцать тысяч тонн светоизлучающей жидкости. Аббревиатура JUNO используется как в документах проекта, так и в публикациях научных институтов.
JUNO улавливает частицы от атомных станций Тайшань и Янцзян, одновременно регистрируя геонейтрино. Мощность установки значительно ускоряет процесс накопления фактических данных. По прогнозам, в течение первого года JUNO зафиксирует больше геонейтрино, чем все три прибора — KamLAND, Borexino и SNO+ — вместе за многие десятилетия. Первый результат подсчёта геонейтрино внесёт пятую важную точку наблюдений и поможет проверить различия в результатах между японским, итальянским и канадским оборудованием.
Более точные геологические модели и новые фиксируемые события постепенно будут уменьшать ошибку подземных исследований, но полностью убрать эффект от континентальной коры невозможно. Континентальные горные породы содержат много радиоактивных элементов и производят сильный локальный эффект. На этом фоне намного сложнее обнаружить частицы, поступившие из глубины мантии.
Поэтому научное сообщество долгое время обсуждает размещение детектора на дне морского дна. Океаническая кора меньше по толщине, чем континентальная, и имеет более одинаковое строение. Вдали от суши вклад коры в геонейтринный поток резко сокращается, и значительная часть зафиксированных частиц будет приходить из мантии. Морской аппарат позволил бы измерять внутреннее излучение планеты с намного меньшей корректировкой на окружающие горные слои.
Такой проект потребует расходы в сотни миллионов долларов и в настоящее время не получил нужной государственной поддержки. Возможные регионы для развёртывания обсуждаются, включая Китай, где уже функционируют масштабные научные инициативы. До запуска подводного аппарата главную информацию будут поставлять SNO+, KamLAND, Borexino и JUNO. Будущая проверка предположения будет определяться масштабом собранной статистики: большее число зарегистрированных геонейтрино должно показать, являются ли различия между приборами следствием реального химического строения мантии или они находятся в пределах погрешностей.
