Geoneutrina odhalí množství radioaktivity pohánějící dynamiku Země

Podle studie mezinárodního týmu, jehož součástí byli vědci z Matfyzu, přinese během příštích 10 let detekce geoneutrin zásadní zpřesnění odhadu množství radioaktivních zdrojů, které pohání termální konvekci v zemském plášti a deskovou tektoniku při povrchu Země. Spolupráce experimentální částicové fyziky a geofyziky tak rozřeší dlouhotrvající debatu o složení Země a o poměru příspěvků primordiálního a radiogenního tepla.

Dynamické pochody probíhající v nitru naší mateřské planety – termální konvekce v plášti a v jádru Země, desková tektonika, sopečná činnost – vyžadují zdroj energie. Konvekcí se Země zbavuje svého vnitřního tepla, které je tak odváděno z velkých hloubek směrem k povrchu. Toto teplo pochází převážně ze dvou zdrojů. Jedním je původní, tzv. primordiální teplo přetrvávající v nitru Země od dob jejího vzniku. Druhým je produkce radiogenního tepla v rozpadech nestabilních prvků s dlouhým poločasem rozpadu, a to nuklidů uranu, thoria a draslíku, případně jejich produktů. Současné odhady obsahu radioaktivity v Zemi se ovšem značně liší a poměr příspěvků primordiálního a radiogenního tepla zůstává neznámý.

V nové studii mezinárodní tým vědců z MFF UK, University of Maryland (USA) a Čínské akademie geologických věd tvrdí, že do roku 2025 budeme schopni příspěvek radiogenního tepla určit. K tomu nám poslouží měření tzv. geoneutrin neboli elektronových antineutrin emitovaných při přirozených beta rozpadech v nitru Země. Ke dnešnímu dni detekovaly geoneutrina z rozpadových řad ²³²Th a ²³⁸U pouze dva obří podzemní antineutrinové detektory, KamLAND v Japonsku a Borexino v Itálii. Nicméně se očekává, že do roku 2022 zahájí sběr dat tři další experimenty: SNO+ v Ontariu (Kanada), JUNO v jihozápadní Číně a Jinping taktéž v Číně na úpatí Himalájí.

Zejména Jinping skýtá vysoký potenciál pro měření geoneutrin. Bude čtyřikrát větší než existující detektory, a tedy v daném časovém intervalu zaznamená více geoneutrin. Dále bude umístěn v nejhlubší fyzikální laboratoři, což mu poskytne nejlepší stínění proti kosmickému záření, jednomu z hlavních zdrojů pozadí při měření antineutrin. Navíc bude na rozdíl od všech ostatních detektorů daleko od jaderných reaktorů, které též emitují elektronová antineutrina obdobných energií jako mají geoneutrina. Toto nevítané reaktorové pozadí tak bude v Jinpingu zredukováno odlehlostí jeho zdrojů.

Souhrnnou analýzou dat ze všech pěti experimentů měřících geoneutrina se pak podaří výrazně zpřesnit odhad množství uranu a thoria v plášti Země. Neutrinová fyzika tak poskytne bezprecedentní měření aspektů chemického složení Země v jinak nedostupných hloubkách.

Ondřej Šrámek (KG)
Bedřich Roskovec (UČJF)

“Revealing the Earth’s mantle from the tallest mountains using the Jinping Neutrino Experiment” by Ondřej Šrámek, Bedřich Roskovec, Scott A. Wipperfurth, Yufei Xi, and William F. McDonough. Scientific Reports 6, Article number: 33034 (2016) doi:10.1038/srep33034; Published online: 09 September 2016