Geoneutrino

Partícula subatómica

Un geoneutrino es un neutrino o antineutrino emitido en la desintegración de un radionúclido que se produce naturalmente en la Tierra . Los neutrinos, las partículas subatómicas más ligeras conocidas , carecen de propiedades electromagnéticas mensurables y sólo interactúan a través de la fuerza nuclear débil , ignorando la gravedad. La materia es prácticamente transparente para los neutrinos y, en consecuencia, viajan, sin obstáculos, a una velocidad cercana a la de la luz a través de la Tierra desde su punto de emisión. En conjunto, los geoneutrinos transportan información integrada sobre la abundancia de sus fuentes radiactivas dentro de la Tierra. Un objetivo importante del campo emergente de la geofísica de neutrinos implica extraer información geológicamente útil (por ejemplo, abundancia de elementos individuales productores de geoneutrinos y su distribución espacial en el interior de la Tierra) a partir de mediciones de geoneutrinos. Los analistas de la colaboración Borexino lograron llegar a 53 eventos de neutrinos originados en el interior de la Tierra. ^[1]

La mayoría de los geoneutrinos son antineutrinos electrónicos que se originan en
b⁻
ramas de desintegración de 40 K , ²³² Th y ²³⁸ U. Juntas, estas cadenas de desintegración representan más del 99% del calor radiogénico actual generado dentro de la Tierra. Sólo los geoneutrinos de las cadenas de desintegración ²³² Th y ²³⁸ U son detectables mediante el mecanismo de desintegración beta inversa en el protón libre, porque tienen energías superiores al umbral correspondiente (1,8 MeV ). En los experimentos con neutrinos, grandes detectores de centelleo líquido subterráneos registran los destellos de luz generados a partir de esta interacción. A partir de 2016, ^[actualizar]las mediciones de geoneutrinos en dos sitios, según lo informado por las colaboraciones de KamLAND y Borexino , han comenzado a imponer restricciones a la cantidad de calentamiento radiogénico en el interior de la Tierra. Se espera que un tercer detector ( SNO+ ) comience a recopilar datos en 2017. El experimento JUNO está en construcción en el sur de China . Se planea realizar otro experimento de detección de geoneutrinos en el Laboratorio Subterráneo de China Jinping .

Historia

El diagrama de Feynman para
b⁻
desintegración de un neutrón en un protón , un electrón y un antineutrino electrónico a través de un intermediario
W.⁻
bosón .

Los neutrinos fueron formulados como hipótesis en 1930 por Wolfgang Pauli . La primera detección de antineutrinos generados en un reactor nuclear se confirmó en 1956. ^[2] La idea de estudiar neutrinos producidos geológicamente para inferir la composición de la Tierra ha existido al menos desde mediados de la década de 1960. ^[3] En un artículo histórico de 1984, Krauss , Glashow y Schramm presentaron cálculos del flujo de geoneutrinos predicho y discutieron las posibilidades de detección. ^[4] La primera detección de geoneutrinos se informó en 2005 mediante el experimento KamLAND en el Observatorio Kamioka en Japón. ^{[5] [6]} En 2010, el experimento Borexino en el Laboratorio Nacional Gran Sasso en Italia publicó su medición de geoneutrinos. ^{[7] [8]} Los resultados actualizados de KamLAND se publicaron en 2011 ^{[9] [10]} y 2013, ^[11] y Borexino en 2013 ^[12] y 2015. ^[13]

Motivación geológica

El interior de la Tierra irradia calor a una tasa de aproximadamente 47 TW ( teravatios ), ^[15] que es menos del 0,1% de la energía solar entrante. Parte de esta pérdida de calor se debe al calor generado tras la desintegración de los isótopos radiactivos en el interior de la Tierra. La pérdida de calor restante se debe al enfriamiento secular de la Tierra, al crecimiento del núcleo interno de la Tierra (energía gravitacional y contribuciones de calor latente) y otros procesos. Los elementos productores de calor más importantes son el uranio (U), el torio (Th) y el potasio (K). El debate sobre su abundancia en la Tierra no ha concluido. Existen varias estimaciones de composición en las que la tasa de calentamiento radiogénico interno total de la Tierra varía desde tan solo ~10 TW hasta tan alto como ~30 TW. ^{[16] [17] [18] [19] [20]} Aproximadamente 7 TW de elementos productores de calor residen en la corteza terrestre , ^[21] el poder restante se distribuye en el manto terrestre ; la cantidad de U, Th y K en el núcleo de la Tierra es probablemente insignificante. La radiactividad en el manto de la Tierra proporciona calentamiento interno para impulsar la convección del manto , que es el motor de la tectónica de placas . La cantidad de radiactividad del manto y su distribución espacial (¿la composición del manto es uniforme a gran escala o está compuesta de reservorios distintos?) es de importancia para la geofísica.

La gama existente de estimaciones de composición de la Tierra refleja nuestra falta de comprensión de cuáles fueron los procesos y los componentes básicos ( meteoritos condríticos ) que contribuyeron a su formación. Un conocimiento más preciso de las abundancias de U, Th y K en el interior de la Tierra mejoraría nuestra comprensión de la dinámica actual de la Tierra y de la formación de la Tierra en los inicios del Sistema Solar . Contar los antineutrinos producidos en la Tierra puede limitar los modelos de abundancia geológica. Los geoneutrinos que interactúan débilmente transportan información sobre la abundancia y la ubicación de sus emisores en todo el volumen de la Tierra, incluida la Tierra profunda. Extraer información sobre la composición del manto terrestre a partir de mediciones de geoneutrinos es difícil pero posible. Requiere una síntesis de datos experimentales de geoneutrinos con modelos geoquímicos y geofísicos de la Tierra. Los datos de geoneutrinos existentes son un subproducto de las mediciones de antineutrinos con detectores diseñados principalmente para la investigación de la física fundamental de neutrinos. Los experimentos futuros diseñados con una agenda geofísica en mente beneficiarían a la geociencia. Se han presentado propuestas para tales detectores. ^[22]

Predicción de geoneutrinos

Predicción de señales de geoneutrinos en la superficie de la Tierra en unidades de neutrinos terrestres (TNU).

El calor radiogénico de la desintegración del ²³² Th (violeta) contribuye de manera importante al balance de calor interno de la Tierra . Los otros contribuyentes importantes son ²³⁵ U (rojo), ²³⁸ U (verde) y 40 K (amarillo).

Los cálculos de la señal de geoneutrino esperada para varios modelos de referencia de la Tierra son un aspecto esencial de la geofísica de neutrinos. En este contexto, "modelo de referencia de la Tierra" significa la estimación de la abundancia de los elementos productores de calor (U, Th, K) y las suposiciones sobre su distribución espacial en la Tierra, y un modelo de la estructura de densidad interna de la Tierra. Con diferencia, la mayor variación existe en los modelos de abundancia, donde se han presentado varias estimaciones. Predicen una producción total de calor radiogénico tan baja como ~10 TW ^{[16] [23]} y tan alta como ~30 TW, ^[17] siendo el valor comúnmente empleado alrededor de 20 TW. ^{[18] [19] [20]} Una estructura de densidad que depende únicamente del radio (como el Modelo Terrestre de Referencia Preliminar o PREM) con un refinamiento tridimensional para la emisión de la corteza terrestre es generalmente suficiente para las predicciones de geoneutrinos.

Las predicciones de las señales de geoneutrinos son cruciales por dos razones principales: 1) se utilizan para interpretar las mediciones de geoneutrinos y probar los diversos modelos de composición de la Tierra propuestos; 2) pueden motivar el diseño de nuevos detectores de geoneutrinos. El flujo típico de geoneutrinos en la superficie de la Tierra es de pocos × 10 ⁶  cm ⁻² ⋅s ⁻¹ . ^[24] Como consecuencia de (i) el alto enriquecimiento de la corteza continental en elementos productores de calor (~7 TW de potencia radiogénica) y (ii) la dependencia del flujo de 1/(distancia desde el punto de emisión) ² , el pronóstico El patrón de señal de geoneutrino se correlaciona bien con la distribución de los continentes. ^[25] En los sitios continentales, la mayoría de los geoneutrinos se producen localmente en la corteza. Esto exige un modelo de la corteza terrestre preciso, tanto en términos de composición como de densidad, una tarea no trivial.

La emisión de antineutrinos desde un volumen V se calcula para cada radionucleido a partir de la siguiente ecuación:

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} \phi (E_{{\bar {\nu }}_{e}},{\vec {r}})}{\mathrm {d} E_{{\bar {\nu }}_{e}}}}=10{\frac {\lambda XN_{A}}{M}}{\frac {\mathrm {d} n(E_{{\bar {\nu }}_{e}})}{\mathrm {d} E_{{\bar {\nu }}_{e}}}}\int \limits _{V}\mathrm {d} ^{3}{\vec {r}}'{\frac {A({\vec {r}}')\rho ({\vec {r}}')P_{ee}(E_{{\bar {\nu }}_{e}},|{\vec {r}}-{\vec {r}}'|)}{4\pi |{\vec {r}}-{\vec {r}}'|^{2}}}}$

donde d φ ( E _ν , r )/d E _ν es el espectro de energía de flujo de antineutrino completamente oscilado (en cm ⁻² ⋅s ⁻¹ ⋅MeV ⁻¹ ) en la posición r (unidades de m) y E _ν es la energía de antineutrino (en MeV). En el lado derecho, ρ es la densidad de la roca (en kg⋅m ⁻³ ), A es la abundancia elemental (kg de elemento por kg de roca) y X es la fracción isotópica natural del radionucleido (isótopo/elemento), M es la masa atómica (en g⋅mol ⁻¹ ), N _A es la constante de Avogadro (en mol ⁻¹ ), λ es la constante de desintegración (en s ⁻¹ ), d n ( E _ν )/d E _ν es la intensidad del antineutrino espectro de energía (en MeV ⁻¹ , normalizado al número de antineutrinos n _ν producidos en una cadena de desintegración cuando se integran sobre energía), y Pe _ee ( E _ν , L ) es la probabilidad de supervivencia del antineutrino después de viajar una distancia L . Para un dominio de emisión del tamaño de la Tierra, la probabilidad de supervivencia Pee dependiente de la energía totalmente oscilada _se puede reemplazar con un factor simple ⟨ Pee _⟩ ≈ 0,55, ^{[14] [26]} la probabilidad de supervivencia promedio. La integración de la energía produce el flujo total de antineutrinos (en cm ⁻² ⋅s ⁻¹ ) de un radionucleido dado:

${\displaystyle \phi ({\vec {r}})=10{\frac {n_{{\bar {\nu }}_{e}}\langle P_{ee}\rangle \lambda XN_{A}}{M}}\int \limits _{V}\mathrm {d} ^{3}{\vec {r}}'{\frac {A({\vec {r}}')\rho ({\vec {r}}')}{4\pi |{\vec {r}}-{\vec {r}}'|^{2}}}}$

El flujo total de geoneutrinos es la suma de las contribuciones de todos los radionucleidos productores de antineutrinos. Los datos geológicos (la densidad y, en particular, las abundancias elementales) conllevan una gran incertidumbre. La incertidumbre de los parámetros restantes de la física nuclear y de partículas es insignificante en comparación con los datos geológicos. Actualmente se supone que el uranio-238 y el torio-232 producen cada uno aproximadamente la misma cantidad de calor en el manto terrestre, y que actualmente son los principales contribuyentes al calor radiogénico. Sin embargo, el flujo de neutrinos no rastrea perfectamente el calor de la desintegración radiactiva de los nucleidos primordiales , porque los neutrinos no transportan una fracción constante de la energía de las cadenas de desintegración radiogénica de estos radionucleidos primordiales .

Detección de geoneutrinos

Mecanismo de detección

Los instrumentos que miden geoneutrinos son grandes detectores de centelleo . Utilizan la reacción de desintegración beta inversa , un método propuesto por Bruno Pontecorvo que Frederick Reines y Clyde Cowan emplearon en sus experimentos pioneros en la década de 1950 . La desintegración beta inversa es una interacción débil de corriente cargada, donde un antineutrino electrónico interactúa con un protón , produciendo un positrón y un neutrón :

${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}+p\rightarrow e^{+}+n}$

Sólo los antineutrinos con energías superiores al umbral cinemático de 1,806 MeV (la diferencia entre las energías de la masa en reposo del neutrón más el positrón y el protón) pueden participar en esta interacción. Después de depositar su energía cinética, el positrón rápidamente se aniquila con un electrón:

${\displaystyle e^{+}+e^{-}\rightarrow \gamma +\gamma }$

Con un retraso de unas pocas decenas a unos cientos de microsegundos, el neutrón se combina con un protón para formar un deuterón :

${\displaystyle n+p\rightarrow d+\gamma }$

Los dos destellos de luz asociados con el positrón y el neutrón coinciden en el tiempo y el espacio, lo que proporciona un método poderoso para rechazar eventos de fondo de destello único (no antineutrino) en el centelleador líquido. Los antineutrinos producidos en reactores nucleares artificiales coinciden en su rango de energía con los antineutrinos producidos geológicamente y también son contados por estos detectores. ^[25]

Debido al umbral cinemático de este método de detección de antineutrinos, sólo se pueden detectar los geoneutrinos de mayor energía de las cadenas de desintegración de ²³² Th y ²³⁸ U. Los geoneutrinos de la desintegración ^{de 40} K tienen energías por debajo del umbral y no pueden detectarse mediante la reacción de desintegración beta inversa. Los físicos de partículas experimentales están desarrollando otros métodos de detección que no están limitados por un umbral de energía (por ejemplo, la dispersión de antineutrinos en electrones) y que, por tanto, permitirían la detección de geoneutrinos procedentes de la desintegración del potasio.

Las mediciones de geoneutrinos a menudo se informan en Unidades de neutrinos terrestres (TNU; analogía con las Unidades de neutrinos solares ) en lugar de en unidades de flujo (cm ⁻² s ⁻¹ ). TNU es específico del mecanismo de detección de desintegración beta inversa con protones. 1 TNU corresponde a 1 evento de geoneutrino registrado durante una exposición totalmente eficiente durante un año de 10 ³² protones libres, que es aproximadamente el número de protones libres en un detector de centelleo líquido de 1 kilotón. La conversión entre unidades de flujo y TNU depende de la relación de abundancia de torio y uranio (Th/U) del emisor. Para Th/U=4,0 (un valor típico de la Tierra), un flujo de 1,0 × 10 ⁶ cm ⁻² s ⁻¹ corresponde a 8,9 TNU. ^[14]

Detectores y resultados

Esquema del detector de antineutrinos KamLAND .

Detectores existentes

KamLAND (Detector de antineutrinos de centelleo líquido Kamioka) es un detector de 1,0 kilotones ubicado en el Observatorio Kamioka en Japón. Los resultados basados ​​en un tiempo de vida de 749 días y presentados en 2005 marcan la primera detección de geoneutrinos. El número total de eventos de antineutrinos fue de 152, de los cuales entre 4,5 y 54,2 fueron geoneutrinos. Este análisis puso un límite superior de 60 TW al poder radiogénico de la Tierra de ²³² Th y ²³⁸ U. ^[5]

Una actualización de 2011 del resultado de KamLAND utilizó datos de 2135 días de tiempo del detector y se benefició de una pureza mejorada del centelleador, así como de una reducción del fondo del reactor debido al cierre de 21 meses de la planta Kashiwazaki-Kariwa después de Fukushima . De 841 eventos de antineutrinos candidatos, 106 fueron identificados como geoneutrinos mediante un análisis de máxima verosimilitud sin agrupar. Se descubrió que ²³² Th y ²³⁸ U juntos generan 20,0 TW de potencia radiogénica. ^[9]

Borexino es un detector de 0,3 kilotones en Laboratori Nazionali del Gran Sasso cerca de L'Aquila , Italia. Los resultados publicados en 2010 utilizaron datos recopilados durante 537 días. De los 15 eventos candidatos, el análisis de máxima verosimilitud sin agrupar identificó 9,9 como geoneutrinos. La hipótesis nula del geoneutrino fue rechazada con un nivel de confianza del 99,997% (4,2σ). Los datos también rechazaron la hipótesis de un georreactor activo en el núcleo de la Tierra con una potencia superior a 3 TW al 95% CL ^[7]

Una medición de 1353 días realizada en 2013 detectó 46 candidatos antineutrinos 'dorados' con 14,3 ± 4,4 geoneutrinos identificados, lo que indica una señal del manto de 14,1 ± 8,1 TNU, estableciendo un límite de CL del 95% de 4,5 TW en la potencia del georreactor y encontró la esperada señales del reactor. ^[27] En 2015, Borexino presentó un análisis espectral actualizado de geoneutrinos basado en 2056 días de medición (de diciembre de 2007 a marzo de 2015), con 77 eventos candidatos; de ellos, sólo 24 están identificados como geonetrinos, y los 53 eventos restantes se originan en reactores nucleares europeos. El análisis muestra que la corteza terrestre contiene aproximadamente la misma cantidad de U y Th que el manto, y que el flujo de calor radiogénico total de estos elementos y sus hijos es de 23 a 36 TW. ^[28]

SNO+ es un detector de 0,8 kilotones ubicado en SNOLAB cerca de Sudbury , Ontario, Canadá. SNO+ utiliza la cámara experimental SNO original . El detector está siendo renovado y se espera que funcione a finales de 2016 o 2017. ^[29]

Detectores planificados y propuestos.

• Ocean Bottom KamLAND-OBK OBK es un detector de centelleo líquido de 50 kilotones para su despliegue en las profundidades del océano.
• JUNO (Observatorio Subterráneo de Neutrinos de Jiangmen, sitio web) es un detector de centelleo líquido de 20 kilotones actualmente en construcción en el sur de China. Está previsto que el detector JUNO entre en funcionamiento en 2023. ^[30]
• El Experimento Jinping Neutrino es un detector de centelleo líquido de 4 kilotones actualmente en construcción en el Laboratorio Subterráneo JinPing de China (CJPL), cuya finalización está prevista para 2022. ^[31]
• LENA (Astronomía de Neutrinos de Baja Energía, sitio web) es un detector de centelleo líquido de 50 kilotones propuesto por elproyecto LAGUNA . Los sitios propuestos incluyen el Centro de Física Subterránea en Pyhäsalmi (CUPP), Finlandia (preferido) y el Laboratoire Souterrain de Modane (LSM) en Fréjus, Francia. ^[32] Este proyecto parece estar cancelado.
• en DUSEL (Laboratorio de Ingeniería y Ciencia Subterránea Profunda) en Homestake en Lead, Dakota del Sur, EE. UU. ^[33]
• en BNO (Observatorio de Neutrinos de Baksan) en Rusia ^[34]
• TIERRA (Tomografía de antineutrinos terrestres)
• Hanohano (Observatorio Antineutrinos de Hawái) es un detector transportable de aguas profundas propuesto. Es el único detector diseñado para funcionar lejos de la corteza continental de la Tierra y de los reactores nucleares con el fin de aumentar la sensibilidad a los geoneutrinos del manto terrestre. ^[22]

Tecnologías futuras deseadas

• Detección de antineutrinos direccionales. Resolver la dirección desde la que llegó un antineutrino ayudaría a discriminar entre la señal del geoneutrino de la corteza terrestre y del antineutrino del reactor (la mayoría de los antineutrinos llegan casi horizontalmente) de los geoneutrinos del manto (un rango mucho más amplio de ángulos de inclinación incidentes).
• Detección de antineutrinos procedentes de la desintegración ^{de 40} K. Dado que el espectro de energía de los antineutrinos de la desintegración ^{de 40} K cae completamente por debajo del umbral de energía de la reacción de desintegración beta inversa (1,8 MeV), se debe explotar un mecanismo de detección diferente, como la dispersión de antineutrinos en electrones. La medición de la abundancia de ⁴⁰ K dentro de la Tierra limitaría el presupuesto de elementos volátiles de la Tierra. ^[24]

Referencias

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Otras lecturas

• Tinte, ST, ed. (2007). Geofísica de neutrinos: Actas de Neutrino Sciences 2005 . Dordrecht, Países Bajos: Springer. doi :10.1007/978-0-387-70771-6. ISBN 978-0-387-70766-2.
• McDonough, WF; Aprendido, JG; Tinte, ST (2012). "Los múltiples usos de los antineutrinos electrónicos". Física. Hoy . 65 (3): 46–51. Código Bib : 2012PhT....65c..46M. doi :10.1063/PT.3.1477.

enlaces externos

• Deep Ocean Neutrino Sciences describe proyectos de detección de geoneutrinos en océanos profundos con referencias y enlaces a talleres.
• La Conferencia Neutrino Geoscience 2015 ofrece presentaciones de expertos que cubren casi todas las áreas de la ciencia de los geoneutrinos. El sitio también contiene enlaces a reuniones anteriores de "Neutrino Geoscience".
• Geoneutrinos.org es un sitio web interactivo que le permite ver los espectros de geoneutrinos en cualquier lugar de la Tierra (consulte la pestaña "Reactores") y manipular modelos globales de geoneutrinos (consulte la pestaña "Modelo").