Πρώτη μέτρηση των γεωνετρίνων στο KamLAND

Πηγή: Lawrence Laboratory, 2 Αυγούστου 2005

Αποτελέσματα από το KamLAND, έναν υπόγειο ανιχνευτή νετρίνων στην κεντρική Ιαπωνία, δείχνουν ότι τα νετρίνα αντι-ηλεκτρονίων που προέρχονται από τη Γη, που ονομάζονται γεωνετρίνα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν ένα μοναδικό παράθυρο για το εσωτερικό του πλανήτη μας, αποκαλύπτοντας έτσι τις πληροφορίες που είναι κρυμμένες από άλλες παρατηρήσεις.

"Είναι ένα σημαντικό επιστημονικό αποτέλεσμα", λέει ο Stuart Freedman, ένας πυρηνικός φυσικός στο Εργαστήριο Lawrence και στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, που εκπροσωπεί την αμερικανική ομάδα στο KamLAND, μαζί με τον Giorgio Gratta, έναν καθηγητή της φυσικής στο Στάνφορντ.

"Το πείραμα στο KamLAND είναι ένα μοναδικό και πολύτιμο εργαλείο για τη μελέτη των γεωνετρίνων με εκτεταμένες επιπτώσεις στα φυσικά και γεωχημικά μοντέλα της γης", προσθέτει ο Freedman.

Σε μια εργασία που παρουσιάστηκε στο περιοδικό Nature από μια διεθνή συνεργασία 87 επιστημόνων από 14 ιδρύματα και 4 κράτη, έδειξε την δυνατότητα των ανιχνευτών στο KamLAND να μετρήσουν με ακρίβεια τη ραδιενέργεια των ισοτόπων ουράνιου και θορίου, τις δύο κύριες πηγές ακτινοβολίας του εσωτερικού της Γης. Οι μετρήσεις που έκαναν οι επιστήμονες είναι σε συμφωνία με τις προβλέψεις των κύριων γεωφυσικών προτύπων των θερμικών δραστηριοτήτων του πλανήτη μας.

Ο μυστήριος εσωτερικός πλανήτης μας

Τα γεωνετρίνα ή αντινετρίνα ηλεκτρονίου προέρχονται από το εσωτερικό της Γης και αναμένεται να παίξουν ρόλο στην ακτινογραφία της Γης. Μπορεί να αποκαλύψουν πληροφορίες που μέχρι τώρα ήταν κρυμμένες με άλλες μεθόδους. Το αριστερό μισό αυτής της εικόνας παρουσιάζει την κατανομή της παραγωγής των γεωνετρίνων  που ανιχνεύθηκαν στο KamLAND, και το δεξιό μισό παρουσιάζει τη γεωλογική δομή.

Και μένουμε έκπληκτοι, όπως φαίνεται, για όλα αυτά που έχουμε μάθει για τα πολύ μακρινά αστροφυσικά γεγονότα, όπως είναι οι σουπερνόβες, ή η σκοτεινή ενέργεια, ή ακόμα και το ίδιο το Big Bang, ενώ το εσωτερικό του πλανήτη μας παραμένει ένα μυστήριο και κατά ένα μεγάλο μέρος ανεξερεύνητο. Μεταξύ των πολλών ερωτήσεων που έχουμε είναι για την πηγή της επίγειας θερμότητας. Το συνολικό ποσό της θερμότητας που εκπέμπεται από τη γη σε οποιαδήποτε δεδομένη στιγμή έχει υπολογιστεί πρόσφατα σε περίπου 31 terawatts (TW). Ένα terawatt είναι ισοδύναμο με ένα τρισεκατομμύριο Watt. Για σύγκριση, η μέση κατανάλωση ενέργειας στις ΗΠΑ σε οποιαδήποτε στιγμή είναι 0,3 τρισεκατομμύρια Watt.

Ένα μεγάλο μέρος αυτής της θερμότητας είναι η επανακτινοβολημένη ενέργεια από τον ήλιο, αλλά σχεδόν κατά το ήμισυ παράγεται από το εσωτερικό της Γης κατά τις διασπάσεις των ραδιενεργών ισοτόπων. Η ραδιενέργεια είναι γνωστό ότι προκαλεί αυτήν την θερμότητα, αλλά ήταν δύσκολο να ξέρουμε με ακρίβεια πόση είναι, επειδή, μέχρι τώρα, δεν υπήρχε κανένα ακριβές μέσο για να μετρηθεί η θερμότητα που οφείλεται στη ραδιενέργεια. Τα τελευταία πειράματα από το KamLAND δείχνουν ότι το γνωρίζουμε, είναι 18 terawatt.

"Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι η μέτρηση της ροής των γεωνετρίνων της Γης θα μπορούσε να δώσει στους επιστήμονες μια αποτίμηση του συνολικού ποσού της ραδιενέργειας του πλανήτη μας", λέει ο Freedman. "Η μέτρηση των γεωνετρίνων θα μπορούσε επίσης να χρησιμεύσει και σαν μια μελέτη των τμημάτων του πλανήτη μας, που είναι μέχρι τώρα απρόσιτα σε μας".

Ο Gratta του Στάνφορντ αναφέρει, "Υπάρχουν ακόμα πολλές θεωρίες για το τι υπάρχει μέσα στη γη και έτσι είναι ακόμα και σήμερα ένα ανοικτό ζήτημα. Τα νετρίνα είναι ένα δεύτερο εργαλείο, έτσι διπλασιάζουμε τον αριθμό των εργαλείων που έχουμε, ενώ το πρώτο είναι τα σεισμικά κύματα".

Ο καθηγητής Atsuto Suzuki, διευθυντής του Ερευνητικού Κέντρου για την Επιστήμη των Νετρίνων και εκπρόσωπος για την ιαπωνική ομάδα στο KamLAND τονίζει: "Έχουμε τώρα στα χέρια μας ένα διαγνωστικό εργαλείο για το εσωτερικό της Γης. Για πρώτη φορά μπορούμε να πούμε ότι τα νετρίνα έχουν κι ένα πρακτικό ενδιαφέρον για άλλους τομείς της επιστήμης".

Ενώ ο Dennis Kovar, πυρηνικός φυσικός συμφωνεί με τον Suzuki. "Πιστεύω ότι τα αποτελέσματα της πολυεθνικής συνεργασίας στο KamLAND είναι αρκετά ενδιαφέροντα και δείχνουν ότι η επιστήμη έχει ένα νέο, ισχυρό εργαλείο για βαθιά μέσα στον πυρήνα του πλανήτη μας."

KamLAND και Νετρίνα

Το KamLAND, που σημαίνει Ανιχνευτής αντί-Νετρίνων Υγρού Σπινθηριστή στο Kamioka, βρίσκεται σε ένα σπήλαιο παλιού ορυχείου κάτω από τα βουνά του κύριου νησιού της Ιαπωνίας, του Honshu, κοντά στην πόλη Toyama. Είναι ο μεγαλύτερος ανιχνευτής χαμηλής ενέργειας αντινετρίνων που κατασκευάστηκε ποτέ.

Το KamLAND αποτελείται από ένα μετεωρολογικό μπαλόνι, διαμέτρου 13 μέτρων, γεμάτο με ένα κιλοτόνο υγρού σπινθηριστή, μια χημική 'σούπα' που εκπέμπει λάμψεις φωτός, όταν συγκρούεται ένα εισερχόμενο αντι-νετρίνο με ένα πρωτόνιο. Αυτές οι φωτεινές λάμψεις ανιχνεύονται από μια περιβάλλουσα σειρά 1.879 φωτοπολλαπλασιαστών αισθητήρων φωτός, που μετατρέπουν τις λάμψεις σε ηλεκτρονικά σήματα ενώ οι υπολογιστές μπορούν να τα αναλύσουν. Οι φωτοπολλαπλασιαστές είναι συνδεμένοι με την εσωτερική επιφάνεια διαμέτρου 18 μέτρων μια σφαίρα ανοξείδωτου χάλυβα και διαχωρίζεται από το μετεωρολογικό μπαλόνι με ένα αποθηκευμένο λουτρό αδρανούς ελαίου και νερού που βοηθούν ώστε να μειώσουν την παρεμβολή από την ακτινοβολία υποβάθρου.

Τα νετρίνα όπως και τα αντισωμάτια τους - τα αντινετρίνα - είναι υποατομικά σωμάτια που αλληλεπιδρούν τόσο σπάνια με την υπόλοιπη ύλη που μπορούν να περάσουν άθικτα από ένα τοίχο μολύβδου έκτασης από τη γη στο φεγγάρι. Τα νετρίνα παράγονται κατά τη διάρκεια της πυρηνικής σύντηξης, η αντίδραση που κάνει τον ήλιο και τα υπόλοιπα αστέρια να λάμπουν. Ενώ τα αντινετρίνα δημιουργούνται στις αντιδράσεις διάσπασης, όπως αυτές που γίνονται στις εγκαταστάσεις πυρηνικής ενέργειας, και στους ραδιενεργούς πυρήνες, όπως είναι το ουράνιο και το θόριο, οι οποίοι εκπέμπουν ένα νετρίνο ηλεκτρονίου και αντι-ηλεκτρονίου όταν αποσυντίθενται.

Τα αόρατα αυτά σωματίδια - αντινετρίνα - έχουν μάζα 500.000 φορές μικρότερη των ηλεκτρονίων. Τα αντινετρίνα, όπως και τα νετρίνα, έρχονται σε τρεις διαφορετικές τύπους ή "γεύσεις," νετρίνα ηλεκτρονίων, μιονίων και ταυ, με τα νετρίνο του αντι-ηλεκτρονίου, ή  γεωνετρίνα, να είναι τα πιο συνηθισμένα. Τα γεωνετρίνα μπορούν να ανιχνευθούν και να μετρηθούν στο KamLAND μέσω μιας αντίδρασης που έχει διακριτή υπογραφή αφού αφαιρεθούν τα αντι-νετρίνα που συλλαμβάνονται από τους κοντινούς αντιδραστήρες και τα γεγονότα υποβάθρου από τα σωματίδια άλφα.

"Το KamLAND είναι ο πρώτος ευαίσθητος ανιχνευτής που μπορεί να μετρήσει τα γεωνετρίνα που παράγονται στη γη από την διάσπαση του ουράνιου-238 και θορίου-232", λέει ο Freedman. "Δεδομένου ότι τα γεωνετρίνα που παράγονται από τις αλυσίδες διάσπασης αυτών των ισοτόπων έχουν υπερβολικά μικρό εύρος αλληλεπίδρασης, αυτά μεταδίδονται ανενόχλητο στο γήινο εσωτερικό, και η μέτρησή τους κοντά στη γήινη επιφάνεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να πάρουμε πληροφορίες για τις πηγές τους."

Μετρώντας τα γεωνετρίνα που παράγονται κατά την διάσπαση των φυσικών ραδιενεργών στοιχείων στο γήινο εσωτερικό, οι επιστήμονες θεωρούν ότι πρέπει να είναι δυνατό να αποκτηθεί μια τρισδιάστατη εικόνα της γήινης διάσπασης και της δομής των φλοιών. Θα μπορούσαμε έτσι να πάρουμε απαντήσεις σε ερωτήσεις, όπως πόση επίγεια θερμότητα προέρχεται από τις ραδιενεργές διασπάσεις, και πόση θερμότητα οφείλεται σε ένα "αρχέγονο" κατάλοιπο από τη γέννηση του πλανήτη μας. Επίσης, μπορεί να βοηθήσει ώστε να προσδιοριστεί η πηγή του μαγνητικού πεδίου της Γης, και τι προκαλεί το γεωδυναμό.