コラボレーションBorexinoは、地球のニュートリノの輝きの6年間の観測について話しました

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ビデオ: Borexino 2022, 十一月
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Anonim
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地球の内部から地球の表面を通る熱の流れ

5年前に最初に地上のニュートリノを捕らえたBorexinoニュートリノ実験は、それらの分光法の研究を始めました。新しいデータは、地球の熱収支への放射能の寄与を明らかにしただけでなく、放射性熱が地球の地殻とマントルの両方から来ることも証明しました。 Borexinoのコラボレーションによる記事が、数日前にコーネル大学のプレプリントアーカイブに掲載され、公開のために送信されました。

ニュートリノ(超軽量でほとんどとらえどころのない粒子)は、宇宙から地球にやってくるだけでなく、ウラン、トリウム、カリウムの崩壊の結果として、地球の内部で生まれます。地球自体のこの「ニュートリノの輝き」は何にも影響を与えませんが、これらの崩壊の間にどれだけの放射性熱が放出されるかについての情報を運びます。熱収支の観点から、地球は巨大なストーブであり、その表面全体にわたって約47テラワットの熱を外部に放出します。しかし、最近まで、このフラックスのどれだけが放射能を生成し、どれだけが地球の余熱に当たるかは知られていませんでした。放射性寄与の推定値は4から40テラワットまで変化し、直接測定せずにそれらを精緻化することはできませんでした。

この寄与を直接決定する唯一の方法は、地球ニュートリノを捕らえ、それらのフラックスを測定することです。陸生ニュートリノ、またはむしろ反ニュートリノは、直接ではなく、長寿命の二次同位体のベータ崩壊の間に、ウランまたはトリウムの同位体の崩壊の間に生まれます。このプロセスは実験室で(特に原子力の必要性のために)研究されており、したがって、1回の崩壊でのエネルギー放出とこの場合に放出されるニュートリノの数とエネルギーとの関係が知られています。地球はニュートリノに対して透明であり、地球の内部で生まれたすべてのニュートリノは自由に出てきます。したがって、地球ニュートリノフラックスを登録して測定することができれば、地球自身の熱の放射性成分を推定することが可能になります。

非常にまれなイベントであり、あらゆる種類のバックグラウンドプロセスから検出器を保護する必要があるため、ニュートリノを検出することは非常に困難です。地球ニュートリノの場合、さらに複雑な問題があります。地球に匹敵する反ニュートリノフラックスもすべての原子炉から発生します。このような低エネルギーのニュートリノの到着方向を確立するのは非現実的です。したがって、地球ニュートリノフラックスを確実に測定するには、何かを捕らえるだけでなく、近くのすべての原子炉から検出器に入るニュートリノの数を正確に知る必要があります。これは、ニュートリノ振動を考慮して推定する必要があります。

地球ニュートリノの登録に関する最初の信頼できる報告は、2010年に、グランサッソのイタリアの地下国立研究所でBorexino実験を実施する国際チームによって作成されました。この検出器の反ニュートリノは、逆ベータ崩壊を使用して記録されます。反ニュートリノは陽子に当たり、陽電子と中性子を生み出します。陽電子は即座に消滅して閃光を生成し(高速応答)、中性子は1ミリ秒の間さまよって原子核に捕獲され、ガンマ量子を生成します(遅延応答)。この2段階の検出技術と、無関係なイベントを除外するための厳格なルールのおかげで、Borexinoで記録されたほとんどすべてのイベントは、地球ニュートリノまたは原子炉ニュートリノのいずれかによって引き起こされました。原子炉の寄与を分離することにより、研究者は2010年に約10個の地球ニュートリノを見ることができました。

Borexinoコラボレーションからの新しい記事は、6年間の観測のデータ処理の結果について報告しています。この間、77のイベントが蓄積され、選択のすべての段階を通過しました。それらの中にはバックグラウンドイベントが1つしかなく、これはこのタイプの実験の優れた技術的成果です。それらの約3分の1は地球ニュートリノであり、残りは原子炉である必要があります。研究者たちは、ニュートリノの数を数えるだけでなく、ニュートリノのスペクトルを調べたり、エネルギー分布をプロットしたりしました。

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エネルギースペクトル77の選択されたイベント。水平方向には、ニュートリノの全エネルギーの代わりに、機器の特性がプロットされています。これは、登録された光電子の数で測定された高速光応答です。オレンジは、スペクトルがわかっている原子炉ニュートリノの寄与を示しています。青と青-地球ニュートリノフラックスへのトリウムとウランの寄与。

原子炉ニュートリノは、平均して、地球ニュートリノよりもエネルギーがあります。さらに、トリウムとウランの地球ニュートリノのスペクトルもわずかに異なります。したがって、Borexinoによって得られたニュートリノスペクトルは、地球ニュートリノを分離するだけでなく、それらを起源によってほぼ分離することも可能にしました。これにより、地球内部のトリウムとウランの比率を直接推定することが可能になりました。これまで、この比率は、地球の起源に関する一般的な理論に基づいて、間接的に推定されてきました。さて、初めて、地上での実験により、地球の奥深くを調べることが可能になり、この比率をほぼリアルタイムで測定することができました。推定値の約2倍であることが判明しました。ただし、大きな誤差があるため、理論との矛盾に疑問の余地はありません。

新しいデータはまた、地球の放射熱に対するウランとトリウムの全体的な寄与を明らかにすることを可能にしました。それは23から36テラワットであり、この検出器によって記録されないカリウム40を考慮に入れると、フルパワーに近い値が得られます。さらに、洗練された数値のおかげで、初めて、放射熱を起源によって分離することができました。約半分はマントルによって提供され、半分は地球の地殻全体によって提供されることが判明しました。これは、放射性熱がマントルでも活発に発生しているという事実の最初の直接的な記録です。

Borexinoの地球ニュートリノ検出技術は非常にうまく機能しているため、現在、唯一の制限要因は検出器のサイズと取得時間です。同じ設備のより大きなバージョンを構築することが可能であるならば、これは正確な地球物理学研究のための新しい可能性を開くでしょう。一般に、地球ニュートリノを使用した地球内部の研究は、素粒子の研究のために作成された技術のおかげで解決できる応用問題の多くの例の1つです。

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