A Föld legmélyebb bugyraiból felszabaduló kísértetrészecskék segítségével a fizikusok nekiláttak feltérképezni bolygónk belső hőtérképét. A globális neutrínódetektor-hálózat mérései alapján most első alkalommal nyílik közvetlen betekintés abba, miként hajtják a tektonikus mozgásokat a bolygó mélyén lévő radioaktív elemek. A geoneutrínók vizsgálata választ adhat arra a kérdésre, hogy a Föld belső hője honnan származik, és mennyire egyenletes a köpeny kémiai összetétele.
A bolygónk belsejét fűtő energia két fő forrásból ered: a Föld keletkezésekor visszamaradt ősi hőből, valamint a kéregben és a köpenyben található urán, tórium és kálium bomlásából. E radioaktív elemek jelenléte nélkül a bolygó már évmilliárdokkal ezelőtt kihűlt volna, leállítva a kontinentális lemezek mozgását és a Földet védő mágneses mezőt generáló dinamófolyamatot. Amikor ezek az izotópok elbomlanak, hőt termelnek, és apró, elektromosan semleges részecskéket, geoneutrínókat bocsátanak ki magukból.
Extremitások két kilométerre a felszín alatt
A geoneutrínók észlelése a modern kísérleti fizika egyik legnehezebb feladata. Mivel a neutrínók tömege rendkívül kicsi és nem lépnek kölcsönhatásba az elektromágneses erővel, akadálytalanul áthatolnak a szilárd anyagon. Másodpercenként billiószámra haladnak át az emberi testen is anélkül, hogy bármilyen nyomot hagynának. Elfogásukhoz hatalmas, a kozmikus sugárzástól védett detektorokra van szükség.
A kanadai Snolab laboratóriumban, a Creighton bánya mélyén működő SNO+ kísérlet pontosan erre a célra épült. A két kilométeres kőzetréteg alatt elhelyezkedő berendezés szíve egy 12 méter átmérőjű akrilgömb, amelyet 780 tonna folyékony szcintillátorral töltöttek fel. A gömböt csaknem 10 ezer rendkívül érzékeny fotodetektor veszi körül. Amikor egy geoneutrínó reakcióba lép a folyadékkal, apró fényvillanást hoz létre, amelyet a szenzorok rögzítenek.
A mérések tisztasága érdekében a kutatóknak szigorú óvintézkedéseket kell betartaniuk. Még a munkatársak testén lévő mikroszkopikus radonpor is megzavarhatná a műszereket, ezért a detektorcsarnokba csak alapos zuhanyzás és speciális védőruha öltése után szabad belépni. A szélsőséges árnyékolásnak és a tisztaságnak köszönhetően a műszer képes kiszűrni a háttérzajt, és rögzíteni a ritka részecske-ütközéseket.
Aszimmetria a bolygó mélyén
A geoneutrínók kutatása nem új keletű, de a mostani mérések új távlatokat nyitnak. Az első sikeres észlelést 2005-ben a japán KamLAND detektornál érték el, majd 2009-ben az olaszországi Borexino kísérlet következett. Az SNO+ mérései azért számítanak kiemelkedőnek, mert ezek az első adatok, amelyek a nyugati féltekéről származnak.
A három eltérő földrajzi ponton működő detektor adatai közötti eltérések komoly gondolkodóba ejtették a geológusokat. Korábban a szakemberek általában azt feltételezték, hogy a Föld köpenye homogén, vagyis a radioaktív elemek egyenletesen oszlanak el benne a folyékony kőzetek folyamatos áramlása és keveredése miatt. A mérések szerint azonban az olaszországi Borexino magas geoneutrínó-fluxust mutatott, a japán KamLAND alacsonyat, míg a kanadai SNO+ egy közepes értéket rögzített.
Ez az eloszlás arra enged következtetni, hogy a Föld köpenye nem egységes szerkezetű. A feltételezések szerint a radioaktív elemek nagyobb koncentrációban lehetnek jelen bizonyos mélytengeri vagy magmai tartományokban. Különösen érdekesek a földmag és a köpeny határán található, kontinensnyi méretű, úgynevezett nagy alacsony nyírási sebességű tartományok (LLSVP), amelyek Afrika és a Csendes-óceán alatt fekszenek. A geoneutrínó-mérések segítségével a kutatók most először alkothatnak közvetlen kémiai térképet ezekről a hozzáférhetetlen mélységekről.
Mérési bizonytalanságok és a jövő óceáni detektorai
A kapott eredmények értelmezése ugyanakkor óvatosságot igényel. A geoneutrínók azonosítása összetett szűrési folyamatot igényel: a fizikusoknak le kell vonniuk a mesterséges atomerőművekből származó antineutrínókat, valamint a detektor közvetlen környezetében található földkéreg radioaktivitását. Mivel a kanadai helyszín egy 1,8 milliárd évvel ezelőtti meteoritbecsapódási kráter közelében fekszik, a helyi kőzetek összetétele további bizonytalanságot visz a számításokba.
A kutatás a következő években újabb lendületet kaphat. A Kínában működő JUNO detektor, amely 20 ezer tonnás szcintillátortérfogatával nagyságrendekkel nagyobb a korábbi műszereknél, rövid időn belül több geoneutrínót rögzíthet, mint az összes eddigi kísérlet együttvéve. Ezzel a statisztikai pontosság drasztikusan javulni fog.
A szakértők hosszú távon egy még radikálisabb megoldásban látják a Föld belső szerkezetének pontos megértését. Ha egy neutrínódetektort az óceán fenekén helyeznének el, a méréseket nem zavarná a kontinentális kéreg magas radioaktivitása, mivel az óceáni aljzat lényegesen vékonyabb és homogén összetételű. Egy ilyen mélytengeri obszervatórium felépítése jelentős pénzügyi és technológiai kihívást jelentene, de segítségével véglegesen kirajzolódhatna a bolygónkat hajtó belső hőgépezet pontos szerkezete.
