Antineutrinii, particulele descoperite in interiorul pamantului care aproape nu au masa

Publicat de Cosmin Meca, 5 octombrie 2015, 12:27

O privire aruncată spre interiorul Pământului, în cadrul unui experiment, a dezvăluit locurile unde se ascund antineutrinii, nişte ciudate particule de antimaterie ce aproape că nu au masă, rezultând o hartă globală a răspândirii acestora.

Antineutrinii sunt varianta de antimaterie a neutrinilor, particule fantomatice cu o masă atât de mică încât rareori interacţionează cu materia. O astfel de particulă are, conform aproximărilor oamenilor de ştiinţă, 50% şanse să străbată neabătut un zid de plumb cu grosimea de 1 an lumină.

Aceste particule subatomice sunt produsul secundar al reacţiilor de fuziune nucleară care conferă energie stelelor, al exploziilor solare care semnalează moartea stelelor supermasive (supernove), precum şi al reactoarelor nucleare de pe Terra.În acest nou studiu oamenii de ştiinţă s-au concentrat asupra unei alte surse de neutrini şi antineutrini: descompunerea naturală a elementelor radioactive din interiorul Pământului.

Căldura rezultată în urma acestei descompuneri radioactive, alături de căldura reziduală rămasă de la formarea planetei noastre, alimentează mişcarea plăcilor tectonice ale Pământului, proces care poate declanşa cutremure şi erupţii vulcanice.

Noua hartă, trasată pe baza fenomenului de descompunere radioactivă naturală, îi ajută pe geologi să înţeleagă ce concentraţie de materiale radioactive este întâlnită în mantaua terestră, spre deosebire de crustă, şi, pornind de aici, să afle cât de rapid se răceşte interiorul Pământului.

Antineutrinii din noul studiu provin din descompunerea radioactivă a uraniului şi thoriului. Atunci când nucleul unui atom de uraniu sau de thoriu se rupe în cadrul procesului de descompunere radioactivă, eliberează un antineutrin. Aceşti antineutrini au niveluri specifice de energie.

Din când în când unul dintre ei se va ciocni de protonul care formează nucleul unui atom de hidrogen. Atunci când se produce această ciocnire, protonul se transformă într-un pozitron (un electron cu sarcină electrică pozitivă) şi un neutron. Între timp, neutronul intră în coliziune cu un alt atom de hidrogen rezultând deuteriu, un atom de hidrogen cu o masă mai mare (izotop al hidrogenului).

Aceste coliziuni dintre neutroni şi atomii de hidrogen generează o dublă descărcare de energie sub forma unui flash. Aceste descărcări luminoase sunt însă greu de observat pentru că se produc foarte rar, în contextul în care antineutrinii şi neutrinii nu interacţionează deloc frecvent cu materia ordinară — să ne imaginăm că tragem un miliard de gloanţe într-o ţintă dar nu o lovim decât o dată.

Pentru a surprinde astfel de coliziuni este nevoie de răbdare şi de nişte detectoare pe care să se afle extrem de mulţi protoni, pentru a creşte puţin şansele (de altfel extrem de mici) ca unul dintre aceştia să fie lovit de un neutrin.

Spre exemplu, unul dintre detectoarele subterane folosite în cadrul studiului, KamLAND (Kamioka Liquid Scintillator Antineutrino Detector) din Japonia, foloseşte 1.000 de tone dintr-un amestec lichid de benzen cu uleiuri minerale şi unele elemente chimice fluorescente, pentru a surprinde rarele interacţiuni în care intră antineutrinii.

Un alt detector, Borexino, aflat la aproximativ 1,5 kilometri adâncime sub Munţii Apenini, în Italia, conţine 300 de tone de lichid organic pentru a spori şansele de a observa un antineutrino în acţiune, precum şi peste 2.200 de senzori pentru a detecta micile flash-uri de lumină rezultate din aceste interacţiuni. Întregul detector, ce face parte din Laboratorul Naţional Gran Sasso, este închis într-o sferă uriaşă, înconjurată de apă.

Cercetătorii au folosit date de la ambele detectoare pentru a da de urma antineutrinilor produşi în mod natural în interiorul Pământului.

William McDonough, unul dintre co-autorii studiului şi profesor de geologie la Universitatea din Maryland, a declarat pentru Live Science că studierea antineutrinilor din adâncurile Pământului îi poate ajuta pe oamenii de ştiinţă să construiască modele de mare acurateţe ale mantalei terestre.

Estimările din prezent cu privire la cât de mult s-a răcit Pământul cu fiecare 1 miliard de ani după formare pot varia cu 50%. Aceste calcule sunt foarte complicate pentru că trebuie să se ţină cont de efectul izolator termic al crustei terestre şi pentru că trebuie avansate ipoteze cu privire la concentraţia de elemente radioactive din manta, conform lui McDonough.

Pe măsură ce astfel de hărţi ale răspândirii antineutrinilor devin mai exacte, oamenii de ştiinţă vor putea estima cu mai mare precizie cantitatea de uraniu şi thoriu din mantaua terestră. Spre exemplu, oamenii de ştiinţă cunosc cu aproximaţie cantitatea de uraniu din crusta terestră pentru că acest metal este exploatat pentru a fi folosit drept combustibil pentru centralele atomice. Însă estimările cu privire la abundenţa uraniului şi thoriului din manta variază foarte mult. O estimare conservatoare, conform lui McDonough, susţine că ar fi vorba de aproximativ 10 părţi de uraniu la un miliard.

„Acest lucru ar însemna că aproximativ 70% din uraniul de pe Pământ se află răspândit în crustă”, a explicat el. La 30 de părţi de uraniu la un miliard, atunci trei sferturi din uraniul planetei s-ar afla concentrat în manta.