Земля на просвет нейтрино

В последнее время в научной прессе появились сообщения, судя по которым уже в ближайшее время станет возможным исследовать внутренее строение больших планет- и в частности Земли — с помощью нейтрино. Рассказать об этом новом направлении мы попросили руководителя лаборатории проблем эволюции Земли в Институте динамики геосфер РАН доктора физико-математических наук Андрея Васильевича Витязева, поскольку именно его группа первая и пока единственная группа геофизиков в мире и в России работает над темой нейтринного «просвечивания» Земли, Луны и других планет.

Начнем издалека — с физики элементарных частиц. Существуют нейтрино трех видов — электронные, мюонные и тау. Примерно двадцать лет тому назад было предсказано, и к этому приложили руку и наши физики Смирнов и Михеев, что если нейтрино имеет не нулевую массу, то при прохождении ими вещества (неважно какого — сейфа или

Земли) происходит их переход из одного типа в другой. То есть, например, электронные нейтрино могут переходить в мюонные или в тау и обратно.

Эта идея очень широко обсуждается уже лет десять, и от нее ждут столько же, сколько от прорывов в решении проблемы термоядерного синтеза или происхождения Вселенной. Почему? Потому что, если существование этого эффекта будет доказано, то это может решить кучу проблем в астрофизике, физике Солнца и помочь в развитии теории физики слабых взаимодействий.

Но эффект может быть использован и на благо геофизики. Причем он позволит ничего специально для геофизиков не строить — необходимо лишь повысить точность измерений.

Поток естественных нейтрино приходит к Земле в результате взрывов сверхновых звезд (последний был зафиксирован в 1987 году) и от некоторых ядерных реакций на Солнце, однако из их трех видов мы пока можем улавливать только один — электронный. Поток нейтрино постоянен на подходе к Земле и региструется детекторами, поэтому ночью — если эффект перехода нейтрино из одного типа в другой существует- мы сможем улавливать этими же детекторами нейтрино, которые прошили насквозь всю Землю и пришли к нам с ее обратной стороны, с той, где светит Солнце. И имея, например, «на входе» два нейтрино, на «выходе» можем получить три, потому что один из неулавливаемых нами типов перешел в электронный.

Трудность — помимо доказательств этого эффекта — заключается в чувствительности детекторов. Если бы мы «ловили» три-четыре нейтрино в час, проблем бы не было. Пока же детекторы фиксируют только одно нейтрино в месяц, и, следовательно, набирая статистику за год, получаем слишком большую погрешность.

Однако в ближайшие годы в этой области ожидается качественный скачок, и тогда можно будет просвечивать большие планеты. Мало того — можно «просветить» Луну, не сходя с Земли, выждав момент солнечного затмения или поместив детекторы на обратной стороны Луны.

Чем качественно нейтринная томография будет отличаться от сейсмической? Ну, во-первых, тем, что с помощью нейтрино можно будет получить более определенные и объективные данные о веществе Земли, при этом не надо проводить лабораторные эксперименты, которые сильно снижают точность данных. Грубо говоря, они отличаются так же, как если бы просвечивать сейф рентгеном или простукивать. Нейтрино движется с постоянной световой скоростью и зависит только от пройденного пути, в отличие от сейсмических волн, которые от разных слоев внутри Земли отражаются в многочисленных направлениях.

Беря же в расчет результаты прохода нейтрино через Землю под разными углами, мы можем получить разницу в количестве электронных нейтрино при разном пройденном пути. И сейчас намечается построить детектор нейтрино на экваторе, потому что на экваторе он будет работать максимально эффективно.

По сути дела, мы с помощью нейтрино можем рассчитать, а значит, максимально точно определить вещественный состав различных слоев и структур внутри Земли. Электронное нейтрино, взаимодействуя с электроными оболочками атомов, может, например, распознать, состоит ли ядро Земли из железа и кислорода или из железа и серы.

Но для того чтобы получать такие данные, во-первых, нужно надежное доказательство перехода одного вида нейтрино в другой, во-вторых, на два порядка увеличить чувствительность детекторов.

По-видимому, это удастся сделать через небольшое время. Нейтринная томография, которая, как ожидается, будет на порядок точнее всех остальных методов, существенно дополнит сейсмическую и гравитационную и позволит нам говорить о вещественном строении Земли на другом качественном уровне.

Беседовал Никита Максимов