Нейтрино всегда считались самыми бесполезными частицами. Они не только не входят в состав вещества, из которого сложены мы сами и все, что нас окружает, но практически с ним совершенно не взаимодействуют.
Нейтрино свободно улетают куда угодно, хоть за пределы нашей Галактики к границам наблюдаемого космоса. Суперцивилизация с очень продвинутыми ядерными технологиями могла бы обнаружить нашу планету по ее нейтринному излучению с огромных дистанций. А если бы ее ученые заметили на общем нейтринном фоне новооткрытого небесного тела еще и точечное излучение от реакторов, они могли бы, пожалуй, прийти к выводу, что его обитатели овладели атомной энергией.
Как любят напоминать популяризаторы науки, нейтрино с энергией порядка 1 МэВ свободно прошло бы через слой свинца толщиной в один световой год. По этой причине облучение любыми дозами нейтрино абсолютно безвредно. Ядерный реактор гигаваттной мощности за одну секунду излучает 10^23 антинейтрино, которые ни для кого не представляют опасности. Их замечают только специальные детекторы, отслеживающие режим его работы. Это нужно как для оптимизации энергетического выхода, так и для предотвращения несанкционированного извлечения плутония из топливных стержней и его последующего использования в качестве ядерной взрывчатки. До недавнего времени никто не думал об ином применении технологий регистрации нейтринных потоков, кроме как для мониторинга работы реакторов. Но времена меняются.
Антинейтриновое светило
Уран — самый редкий химический элемент Солнечной системы. А вот на Земле его, ко благу или ко злу для человечества, вполне достаточно.
Разные геологические модели оценивают количество урана-238 в коре и мантии неоднозначно, но и без большого разброса — в среднем сто триллионов тонн. Плюс вчетверо больше радиоактивного тория, плюс другие долгоживущие нестабильные изотопы, прежде всего калий-40. Они претерпевают бета-распад, при котором один из нейтронов атомного ядра превращается в протон с испусканием электрона и электронного антинейтрино. Эти процессы рождают антинейтринное излучение, которое покидает Землю и уносится в космическое пространство. Один квадратный сантиметр земной поверхности ежесекундно выбрасывает в космос 6 млн электронных антинейтрино. В этом смысле нашу планету вполне можно назвать антинейтринной звездой.
Геонейтриновая телескопия
Наша наука пока неспособна отслеживать экзопланеты и тем более внеземные цивилизации по их нейтринному излучению (хотя поток нейтрино, который сопровождал наблюдавшийся в 1987 году взрыв сверхновой в Большом Магеллановом Облаке, был успешно зарегистрирован).
Однако детекторы этих неуловимых частиц уже становятся эффективным инструментом мониторинга земных недр. Пока такие исследования находятся в начальной стадии, но геологи и геохимики видят за ними большое будущее. Сейчас они ведутся на двух подземных установках — KamLAND в Японии и Borexino в Италии. Японский детектор впервые отловил антинейтрино из земных недр в 2005 году, итальянский — в 2010-м. Обе установки были построены прежде всего ради нужд фундаментальной физики, но, как оказалось, могут поработать и для наук о Земле. Этой весной к ним подключится новейший детектор антинейтрино SNO+, установленный на двухкилометровой глубине в нейтринной обсерватории Сэдбюри в канадской провинции Онтарио.
Ради чего нужно отслеживать геонейтрино, как их называют специалисты? Во-первых, таким путем можно уточнить количество и состав долгоживущих радионуклидов в земной коре и глубоко под ней, возможно даже, что и в ядре. Собранные данные уже позволили (с вероятностью 97%) опровергнуть теорию, согласно которой Земля греется изнутри только за счет радиоактивных распадов, а все внутреннее тепло, накопленное при ее формировании из допланетного вещества, давно рассеялось в космосе.
Реакторы природные и рукотворные
Профессор геологии Мэрилендского университета Уильям Мак-Доно рассказал о других возможностях использования нейтринных детекторов:
«Например, они помогут окончательно разобраться с гипотезой о существовании в недрах Земли природных ядерных реакторов. Пока она ничем не подтверждена и, возможно, ошибочна, но имеет своих сторонников. Если такие реакторы и в самом деле существуют, они должны давать специфические нейтринные подписи, которые можно будет зарегистрировать».
Сегодняшние детекторы геонейтрино — это стационарные приборы тысячетонной массы. В перспективе можно прогнозировать разработку мобильных детекторов для размещения на океанском дне. С их помощью можно будет картировать зоны коры и мантии с повышенной концентрацией урана и тория, проводя нейтринную томографию земных недр. Геологи уже говорят о будущих нейтринных телескопах, просматривающих глубины нашей планеты. Для них понадобятся новые детекторы, которые позволят с хорошей точностью определять направление нейтринных потоков. Задача непростая, но в принципе решаемая.
Те же телескопы можно будет использовать и для контроля за распространением ядерных вооружений и ядерных технологий двойного назначения. Правда, это дело не ближайшего будущего — сначала необходимо детально проверить естественный нейтринный фон нашей планеты.
