- 28,984
- 46
- 8 Ноя 2022
Новые данные из Канады впервые намекают: мантия нашей планеты устроена неоднородно.
<div class="articl-text-cover" style="position:relative;width:100%;max-width:800px;margin-left:auto;margin-right:auto;aspect-ratio:1200/676;margin-bottom:2rem;overflow:hidden">
<div itemprop="articleBody">В двух километрах под землёй, в канадском руднике Крейтон, спрятан детектор размером с дом. Вокруг него находится около 7000 тонн сверхчистой воды, а добираться до установки во время обслуживания приходится на надувной лодке. Большую часть времени подземная полость погружена почти в абсолютную темноту. Физикам нужна тишина не в привычном смысле, а отсутствие лишнего излучения: здесь пытаются поймать частицы, которые свободно проходят сквозь всю планету и крайне редко сталкиваются с веществом.
Эксперимент SNO+ построен вокруг большой акриловой сферы. Внутри находится 780 тонн жидкого сцинтиллятора — органической жидкости, которая испускает короткие вспышки света после взаимодействия с достаточно энергичными частицами. Почти 10 тысяч чувствительных фотодетекторов окружают сферу и регистрируют слабые вспышки. Слой сверхчистой воды и два километра породы над лабораторией защищают установку от космического излучения, которое иначе заглушило бы редкие события внутри детектора.
Даже обычный спуск в лабораторию требует строгой подготовки. Во время поездки по шахте и перехода через каменные тоннели на одежде и коже оседают микроскопические частицы радиоактивной пыли, в том числе связанные с радоном. Перед входом в чистую зону сотрудники снимают шахтёрскую одежду, принимают душ, переодеваются в чистые комбинезоны и закрывают волосы. Мельчайшее загрязнение способно создать дополнительный фон, а эксперимент рассчитан на регистрацию чрезвычайно редких взаимодействий.
Главная цель новых измерений связана с геонейтрино — частицами, которые рождаются при радиоактивных процессах в недрах Земли. Обычные нейтрино и без того невероятно трудно зарегистрировать. Масса нейтрино чрезвычайно мала: по приведённой в исходной работе оценке — около миллионной доли массы электрона; электрического заряда у частицы нет. С веществом нейтрино взаимодействует настолько редко, что каждую секунду через человеческое тело проходят триллионы частиц, главным образом рождённых на Солнце. Многолетняя работа огромных детекторов принесла физикам лишь несколько сотен тысяч зарегистрированных событий.
Геонейтрино встречаются среди зарегистрированных частиц ещё реже. За десятилетия наблюдений учёные накопили всего несколько сотен событий. Маленькая статистика ценна по необычной причине: геонейтрино приходят непосредственно из земных недр и позволяют судить о процессах на глубинах, недоступных буровым установкам и другим приборам.
Земля получает внутреннее тепло из двух основных источников. Часть энергии сохранилась со времени формирования планеты, часть постоянно выделяется при радиоактивном распаде урана, тория и калия в коре и мантии. Внутреннее тепло поддерживает движение вещества в мантии и влияет на процессы, связанные с тектоникой плит и тепловым обменом в глубинах планеты. Без радиоактивного подогрева Земля за миллиарды лет остыла бы намного сильнее и потеряла значительную часть геологической активности.
Геонейтрино позволяют оценивать количество радиоактивных элементов по сигналу, пришедшему непосредственно из недр. Обычные методы дают геологам образцы пород с поверхности и сравнительно небольших глубин, данные сейсмических волн и расчёты на основе геохимических моделей. Нейтрино проходят сквозь огромную толщу вещества почти без препятствий, поэтому несут информацию из областей, которые невозможно исследовать напрямую.
Первый сигнал геонейтрино зарегистрировал японский детектор KamLAND в 2005 году. В 2009 году итальянский Borexino сообщил ещё о нескольких десятках событий. SNO+ получил первые результаты в ноябре 2025 года и увеличил мировую статистику примерно на 50 геонейтрино. Канадское измерение добавило особенно важную точку на карте: раньше геонейтрино регистрировали только в Восточном полушарии.
Сравнение трёх детекторов принесло неожиданный результат. Погрешности пока велики, но оценки потока геонейтрино из мантии в разных районах Земли расходятся. Borexino получает сравнительно высокий поток, KamLAND фиксирует низкий, а данные SNO+ занимают промежуточное положение. Разница пока не доказывает химическую неоднородность мантии, однако даёт физикам конкретную гипотезу для проверки.
В простых геохимических моделях радиоактивные элементы распределяются по мантии сравнительно равномерно. Породы внутри планеты медленно движутся и перемешиваются на протяжении миллиардов лет, поэтому крупные различия в концентрации урана и тория требуют отдельного объяснения. Неодинаковый поток геонейтрино в разных точках планеты допускает другой вариант: некоторые области мантии могут содержать больше тепловыделяющих элементов, чем соседние.
Особый интерес вызывают две гигантские структуры возле границы мантии и ядра: одна находится под Африкой, другая — под Тихим океаном. В русской терминологии их называют крупными областями с низкой скоростью сдвига, сокращённо LLSVP. Сейсмологи обнаружили структуры по поведению поперечных сейсмических волн: внутри LLSVP волны распространяются медленнее, чем в окружающей мантии. Размер каждой области достигает нескольких тысяч километров.
Районы с наиболее высоким предполагаемым потоком геонейтрино располагаются примерно над крупными глубинными структурами. Совпадения недостаточно для вывода о прямой связи, но гипотеза допускает повышенную концентрацию некоторых химических элементов внутри LLSVP. Проверка гипотезы дала бы геологам новый способ исследовать химический состав глубокой мантии. Несколько детекторов в разных частях мира в перспективе позволили бы сравнивать концентрацию радиоактивных элементов под разными участками поверхности.
Главная сложность скрыта в самом способе измерения. Детектор не выдаёт готовый список геонейтрино из мантии. Среди множества зарегистрированных событий физикам приходится последовательно отбрасывать сигналы другого происхождения и рассчитывать, какая часть оставшегося потока могла прийти из разных слоёв Земли.
Сначала отсекают частицы с неподходящей энергией. Дополнительную проверку проводят по спиральности — физической величине, которая описывает ориентацию спина частицы относительно направления движения. Затем рассчитывают вклад нейтрино от атомных электростанций. Детектор регистрирует взаимодействие частицы, но место рождения по одной вспышке определить нельзя, поэтому известные техногенные источники приходится учитывать математически и вычитать из общего числа событий.
Самую серьёзную проблему создаёт земная кора. Уран и торий присутствуют не только в мантии, но и в породах значительно ближе к поверхности. Особенно сильно на результат влияет геология в радиусе нескольких сотен километров вокруг детектора. Исследователи оценивают состав и толщину местных пород, рассчитывают ожидаемый поток геонейтрино из коры и вычитают полученный вклад. Остаток относят к сигналу из мантии. Каждая неточность в геологической модели увеличивает погрешность конечного результата.
Для SNO+ задача дополнительно осложняется местом расположения. Район Садбери сформировался после падения огромного космического тела около 1,8 миллиарда лет назад. Древняя ударная структура сильно изменила местные породы, а геологическое строение региона известно не во всех деталях. Чтобы отделить вклад коры от сигнала мантии, физикам нужна подробная модель радиоактивности окружающих пород.
Ещё одна неопределённость связана с общим количеством радиоактивного вещества внутри планеты. По существующим оценкам, распад радиоактивных элементов может давать от сравнительно небольшой доли тепла мантии до половины всей тепловой мощности. Разница между крайними оценками по мощности сопоставима с работой десятков тысяч атомных электростанций.
Большой разброс мешает искать химические различия между отдельными участками мантии. Разные варианты распределения радиоактивных элементов должны немного менять поток геонейтрино, однако ожидаемая разница невелика. Слабый эффект теряется среди статистической погрешности, неточностей модели земной коры и неопределённости общего содержания радиоактивных элементов. По нынешним данным нельзя утверждать, что Западное полушарие действительно содержит больше радиоактивного вещества, чем Восточное.
Намного больше данных должна принести китайская Цзянмэньская подземная нейтринная обсерватория JUNO. Установка начала работу в августе 2025 года и содержит 20 тысяч тонн жидкого сцинтиллятора. Русскоязычное название JUNO используется и в сообщениях самого проекта, и в публикациях научных организаций.
JUNO регистрирует частицы от атомных электростанций Тайшань и Янцзян, а параллельно собирает геонейтрино. Масштаб установки резко увеличивает скорость накопления статистики. По расчётам, за первый год JUNO должен поймать больше геонейтрино, чем KamLAND, Borexino и SNO+ вместе зарегистрировали за несколько десятилетий. Первый расчёт потока геонейтрино должен добавить четвёртую крупную точку наблюдений и помочь проверить расхождения между Японией, Италией и Канадой.
Более точные геологические модели и новые события постепенно уменьшат погрешность наземных экспериментов, но полностью избавиться от влияния континентальной коры трудно. Континентальные породы богаты радиоактивными элементами и создают сильный локальный сигнал. На фоне местного источника гораздо сложнее выделить частицы, пришедшие из глубокой мантии.
Поэтому физики много лет обсуждают нейтринный детектор на дне океана. Океаническая кора тоньше континентальной и имеет более однородное строение. Вдали от материков вклад коры в поток геонейтрино резко уменьшается, а большая доля зарегистрированных частиц будет приходить из мантии. Подводная установка позволила бы измерять внутренний радиоактивный сигнал Земли с гораздо меньшей поправкой на окружающие породы.
Проект потребует сотни миллионов долларов и пока не получил необходимого государственного финансирования. Среди возможных площадок для дальнейшей работы рассматривается Китай, где уже запущены крупные геофизические программы. До появления океанского детектора основные данные будут поступать от SNO+, KamLAND, Borexino и JUNO. Следующая проверка гипотезы зависит от количества зарегистрированных геонейтрино: более крупная статистика должна показать, связаны ли различия между детекторами с реальным химическим строением мантии или пока скрываются внутри погрешностей измерения.
<div class="articl-text-cover" style="position:relative;width:100%;max-width:800px;margin-left:auto;margin-right:auto;aspect-ratio:1200/676;margin-bottom:2rem;overflow:hidden">
<div itemprop="articleBody">В двух километрах под землёй, в канадском руднике Крейтон, спрятан детектор размером с дом. Вокруг него находится около 7000 тонн сверхчистой воды, а добираться до установки во время обслуживания приходится на надувной лодке. Большую часть времени подземная полость погружена почти в абсолютную темноту. Физикам нужна тишина не в привычном смысле, а отсутствие лишнего излучения: здесь пытаются поймать частицы, которые свободно проходят сквозь всю планету и крайне редко сталкиваются с веществом.
Эксперимент SNO+ построен вокруг большой акриловой сферы. Внутри находится 780 тонн жидкого сцинтиллятора — органической жидкости, которая испускает короткие вспышки света после взаимодействия с достаточно энергичными частицами. Почти 10 тысяч чувствительных фотодетекторов окружают сферу и регистрируют слабые вспышки. Слой сверхчистой воды и два километра породы над лабораторией защищают установку от космического излучения, которое иначе заглушило бы редкие события внутри детектора.
Даже обычный спуск в лабораторию требует строгой подготовки. Во время поездки по шахте и перехода через каменные тоннели на одежде и коже оседают микроскопические частицы радиоактивной пыли, в том числе связанные с радоном. Перед входом в чистую зону сотрудники снимают шахтёрскую одежду, принимают душ, переодеваются в чистые комбинезоны и закрывают волосы. Мельчайшее загрязнение способно создать дополнительный фон, а эксперимент рассчитан на регистрацию чрезвычайно редких взаимодействий.
Главная цель новых измерений связана с геонейтрино — частицами, которые рождаются при радиоактивных процессах в недрах Земли. Обычные нейтрино и без того невероятно трудно зарегистрировать. Масса нейтрино чрезвычайно мала: по приведённой в исходной работе оценке — около миллионной доли массы электрона; электрического заряда у частицы нет. С веществом нейтрино взаимодействует настолько редко, что каждую секунду через человеческое тело проходят триллионы частиц, главным образом рождённых на Солнце. Многолетняя работа огромных детекторов принесла физикам лишь несколько сотен тысяч зарегистрированных событий.
Геонейтрино встречаются среди зарегистрированных частиц ещё реже. За десятилетия наблюдений учёные накопили всего несколько сотен событий. Маленькая статистика ценна по необычной причине: геонейтрино приходят непосредственно из земных недр и позволяют судить о процессах на глубинах, недоступных буровым установкам и другим приборам.
Земля получает внутреннее тепло из двух основных источников. Часть энергии сохранилась со времени формирования планеты, часть постоянно выделяется при радиоактивном распаде урана, тория и калия в коре и мантии. Внутреннее тепло поддерживает движение вещества в мантии и влияет на процессы, связанные с тектоникой плит и тепловым обменом в глубинах планеты. Без радиоактивного подогрева Земля за миллиарды лет остыла бы намного сильнее и потеряла значительную часть геологической активности.
Геонейтрино позволяют оценивать количество радиоактивных элементов по сигналу, пришедшему непосредственно из недр. Обычные методы дают геологам образцы пород с поверхности и сравнительно небольших глубин, данные сейсмических волн и расчёты на основе геохимических моделей. Нейтрино проходят сквозь огромную толщу вещества почти без препятствий, поэтому несут информацию из областей, которые невозможно исследовать напрямую.
Первый сигнал геонейтрино зарегистрировал японский детектор KamLAND в 2005 году. В 2009 году итальянский Borexino сообщил ещё о нескольких десятках событий. SNO+ получил первые результаты в ноябре 2025 года и увеличил мировую статистику примерно на 50 геонейтрино. Канадское измерение добавило особенно важную точку на карте: раньше геонейтрино регистрировали только в Восточном полушарии.
Сравнение трёх детекторов принесло неожиданный результат. Погрешности пока велики, но оценки потока геонейтрино из мантии в разных районах Земли расходятся. Borexino получает сравнительно высокий поток, KamLAND фиксирует низкий, а данные SNO+ занимают промежуточное положение. Разница пока не доказывает химическую неоднородность мантии, однако даёт физикам конкретную гипотезу для проверки.
В простых геохимических моделях радиоактивные элементы распределяются по мантии сравнительно равномерно. Породы внутри планеты медленно движутся и перемешиваются на протяжении миллиардов лет, поэтому крупные различия в концентрации урана и тория требуют отдельного объяснения. Неодинаковый поток геонейтрино в разных точках планеты допускает другой вариант: некоторые области мантии могут содержать больше тепловыделяющих элементов, чем соседние.
Особый интерес вызывают две гигантские структуры возле границы мантии и ядра: одна находится под Африкой, другая — под Тихим океаном. В русской терминологии их называют крупными областями с низкой скоростью сдвига, сокращённо LLSVP. Сейсмологи обнаружили структуры по поведению поперечных сейсмических волн: внутри LLSVP волны распространяются медленнее, чем в окружающей мантии. Размер каждой области достигает нескольких тысяч километров.
Районы с наиболее высоким предполагаемым потоком геонейтрино располагаются примерно над крупными глубинными структурами. Совпадения недостаточно для вывода о прямой связи, но гипотеза допускает повышенную концентрацию некоторых химических элементов внутри LLSVP. Проверка гипотезы дала бы геологам новый способ исследовать химический состав глубокой мантии. Несколько детекторов в разных частях мира в перспективе позволили бы сравнивать концентрацию радиоактивных элементов под разными участками поверхности.
Главная сложность скрыта в самом способе измерения. Детектор не выдаёт готовый список геонейтрино из мантии. Среди множества зарегистрированных событий физикам приходится последовательно отбрасывать сигналы другого происхождения и рассчитывать, какая часть оставшегося потока могла прийти из разных слоёв Земли.
Сначала отсекают частицы с неподходящей энергией. Дополнительную проверку проводят по спиральности — физической величине, которая описывает ориентацию спина частицы относительно направления движения. Затем рассчитывают вклад нейтрино от атомных электростанций. Детектор регистрирует взаимодействие частицы, но место рождения по одной вспышке определить нельзя, поэтому известные техногенные источники приходится учитывать математически и вычитать из общего числа событий.
Самую серьёзную проблему создаёт земная кора. Уран и торий присутствуют не только в мантии, но и в породах значительно ближе к поверхности. Особенно сильно на результат влияет геология в радиусе нескольких сотен километров вокруг детектора. Исследователи оценивают состав и толщину местных пород, рассчитывают ожидаемый поток геонейтрино из коры и вычитают полученный вклад. Остаток относят к сигналу из мантии. Каждая неточность в геологической модели увеличивает погрешность конечного результата.
Для SNO+ задача дополнительно осложняется местом расположения. Район Садбери сформировался после падения огромного космического тела около 1,8 миллиарда лет назад. Древняя ударная структура сильно изменила местные породы, а геологическое строение региона известно не во всех деталях. Чтобы отделить вклад коры от сигнала мантии, физикам нужна подробная модель радиоактивности окружающих пород.
Ещё одна неопределённость связана с общим количеством радиоактивного вещества внутри планеты. По существующим оценкам, распад радиоактивных элементов может давать от сравнительно небольшой доли тепла мантии до половины всей тепловой мощности. Разница между крайними оценками по мощности сопоставима с работой десятков тысяч атомных электростанций.
Большой разброс мешает искать химические различия между отдельными участками мантии. Разные варианты распределения радиоактивных элементов должны немного менять поток геонейтрино, однако ожидаемая разница невелика. Слабый эффект теряется среди статистической погрешности, неточностей модели земной коры и неопределённости общего содержания радиоактивных элементов. По нынешним данным нельзя утверждать, что Западное полушарие действительно содержит больше радиоактивного вещества, чем Восточное.
Намного больше данных должна принести китайская Цзянмэньская подземная нейтринная обсерватория JUNO. Установка начала работу в августе 2025 года и содержит 20 тысяч тонн жидкого сцинтиллятора. Русскоязычное название JUNO используется и в сообщениях самого проекта, и в публикациях научных организаций.
JUNO регистрирует частицы от атомных электростанций Тайшань и Янцзян, а параллельно собирает геонейтрино. Масштаб установки резко увеличивает скорость накопления статистики. По расчётам, за первый год JUNO должен поймать больше геонейтрино, чем KamLAND, Borexino и SNO+ вместе зарегистрировали за несколько десятилетий. Первый расчёт потока геонейтрино должен добавить четвёртую крупную точку наблюдений и помочь проверить расхождения между Японией, Италией и Канадой.
Более точные геологические модели и новые события постепенно уменьшат погрешность наземных экспериментов, но полностью избавиться от влияния континентальной коры трудно. Континентальные породы богаты радиоактивными элементами и создают сильный локальный сигнал. На фоне местного источника гораздо сложнее выделить частицы, пришедшие из глубокой мантии.
Поэтому физики много лет обсуждают нейтринный детектор на дне океана. Океаническая кора тоньше континентальной и имеет более однородное строение. Вдали от материков вклад коры в поток геонейтрино резко уменьшается, а большая доля зарегистрированных частиц будет приходить из мантии. Подводная установка позволила бы измерять внутренний радиоактивный сигнал Земли с гораздо меньшей поправкой на окружающие породы.
Проект потребует сотни миллионов долларов и пока не получил необходимого государственного финансирования. Среди возможных площадок для дальнейшей работы рассматривается Китай, где уже запущены крупные геофизические программы. До появления океанского детектора основные данные будут поступать от SNO+, KamLAND, Borexino и JUNO. Следующая проверка гипотезы зависит от количества зарегистрированных геонейтрино: более крупная статистика должна показать, связаны ли различия между детекторами с реальным химическим строением мантии или пока скрываются внутри погрешностей измерения.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
