Нейтринная геофизика как отдельная дисциплина сформировалась совсем недавно. Эта быстроразвивающаяся область науки на стыке геологии, геофизики и физики частиц изучает внутреннее строение Земли по наблюдениям потоков антинейтрино, сопровождающих распад радиоактивных элементов в коре и мантии Земли. Вклад радиоактивных распадов в полное тепловыделение Земли (радиогенное тепло) определяет тепловую историю Земли и ограничивает геофизические модели Земли.

Детектор Borexino в Национальной лаборатории Гран-Сассо

Первое надежное подтверждение ненулевого геонейтринного потока было опубликовано в 2010 году коллаборацией Borexino. Для детального изучения вклада радиоактивных элементов в разогрев Земли необходимы измерения от нескольких детекторов подобных Borexino, расположенных в различных точках земного шара. Методика, отработанная на Borexino, уже дала жизнь новым проектам масштаба десятков килотонн, нацеленным в том числе на измерение геонейтринного потока. Яркий тому пример – эксперимент JUNO в Китае, в подготовке которого активное участие принимают ученые ЛЯП.

Дубненская группа была зачинателем антинейтринных исследований на детекторе Borexino. Первые оценки чувствительности детектора к геонейтрино проводились в 2005-2006 гг. на прототипе Borexino (CTF). Были разработаны критерии отбора антинейтринных событий. Группа участвовала в получении ранних результатов, связанных с регистрацией антинейтрино низких энергий, включая две первые работы по геонейтрино.

Для новых, более точных, измерений геонейтринного потока использовался массив данных, набранных на Borexino за 3263 дней, между декабрем 2007 года и апрелем 2019. За эти почти 12 лет зарегистрировано всего 53 геонейтринных события от распадов урана и тория, точность измерения достигла 18%.

Сейчас усилия физиков сконцентрированы на выделении вклада сигнала от мантии в полный геонейтринный поток. Наличие сигнала от мантии подтверждается данными эксперимента Borexino. Измеренный геонейтринный сигнал соответствует тепловыделению в недрах Земли в 38 ТВт, вклад мантии при этом оказывается около 25 ТВт. Данные значения хорошо совместимы с различными геофизическими моделями, демонстрируя только статистически слабое отклонение для моделей с наиболее низкими концентрациями радиоактивных элементов в мантии. Дополнительно, исключено существование гипотетического гео-реактора в центре Земли с мощностью выше 2.4 ТВт.

Дубненские физики участвовали в анализе данных в составе антинейтринной группы под руководством Л. Лудховой. Было выполнено моделирование и расчет фона от ядерных реакций с выделением нейтронов. Результаты и перспективы экспериментальных исследований геонейтрино представлены в обзоре руководителя дубненской группы Олега Смирнова.

О результатах поиска нейтрино из углеродно-азотного (или CNO) цикла

Помимо прямой работы с данными детектора Borexino, члены группы активно занимаются формированием научного интереса к новой области науки, представляя доклады как по геонейтринным результатам Borexino, так и по нейтринной геофизике на семинарах, школах и международных конференциях. Результаты представлялись на семинарах в ЛЯП, в лаборатории Гран Сассо, в Миланском университете, Белорусском гос. университете, университете им. Комениуса (Братислава), в ИЯИ РАН в Троицке, а также на международных конференциях.

Группа ученых эксперимента Borexino из Лаборатории ядерных проблем им. В. П. Джелепова (Олег Смирнов, Алина Вишнева и Максим Громов) стала победителем конкурса научных работ ЛЯП за 2020 год в номинации «Физика» за цикл работ «Нейтринная геофизика».

На фото слева направо: Олег Смирнов, Максим Громов, Алина Вишнева

Цикл работ

[1] M. Agostini, et al. (The Borexino collaboration), “Spectroscopy of geo-neutrinos from 2056 days of Borexino data”, Phys. Rev. D 92, 031101, 2015. Paper highlighted in the Editor’s Suggestion on the PRD website.
[2] O. Smirnov, “The physics of geoneutrino and their detection”, in Geoneutrinos by Open Academic Press, 2016, ISBN 978-83-944520-1-8. (Глава в коллективной монографии).
[3] M. Agostini et al. (The Borexino collaboration), “Comprehensive geoneutrino analysis with Borexino”, Phys. Rev. D 101, 012009 (2020).
[4] O. Smirnov, “Experimental aspects of geoneutrino detection: Status and perspectives”, Progress in Particle and Nuclear Physics, v. 109, 2019, 103712

Источник: ЛЯП