Нейтрино завжди вважалися найбільш марними частинками. Вони не тільки не входять до складу речовини, з якої складені ми самі і все, що нас оточує, але практично з ним абсолютно не взаємодіють.
Нейтрино вільно відлітають куди завгодно, хоч за межі нашої Галактики до кордонів космосу. Суперцивілізація з дуже просунутими ядерними технологіями могла б виявити нашу планету з її нейтринного випромінювання з величезних дистанцій. А якби її вчені помітили на загальному нейтринному тлі нововідкритого небесного тіла ще й точкове випромінювання від реакторів, вони могли б, мабуть, дійти висновку, що його мешканці оволоділи атомною енергією.
Як люблять нагадувати популяризатори науки, нейтрино з енергією близько 1 МеВ вільно пройшло б через шар свинцю товщиною в один світловий рік. З цієї причини опромінення будь-якими дозами нейтрино абсолютно нешкідливо. Ядерний реактор гігаватної потужності за одну секунду випромінює 1023 антинейтрино, які ні для кого не становлять небезпеки. Їх помічають тільки спеціальні детектори, які відстежують режим його роботи. Це потрібно як для оптимізації енергетичного виходу, так і для запобігання несанкціонованого вилучення плутонію з паливних стрижнів і його подальшого використання як ядерної вибухівки. До недавнього часу ніхто не думав про інше застосування технологій реєстрації нейтринних потоків, крім як для моніторингу роботи реакторів. Але часи змінюються.
Антинейтринове світило
Уран - найрідкісніший хімічний елемент Сонячної системи. А ось на Землі його, на благо чи на зло для людства, цілком достатньо.
Різні геологічні моделі оцінюють кількість урану-238 в корі і мантії неоднозначно, але і без великого розкиду - в середньому сто трильйонів тонн. Плюс вчетверо більше радіоактивного торію, плюс інші довгоживучі нестабільні ізотопи, насамперед калій-40. Вони зазнають бета-розпаду, при якому один з нейтронів атомного ядра перетворюється на протон з випусканням електрона і електронного антинейтрино. Ці процеси народжують антинейтринне випромінювання, яке залишає Землю і забирається в космічний простір. Один квадратний сантиметр земної поверхні щомиті викидає в космос 6 млн електронних антинейтрино. У цьому сенсі нашу планету цілком можна назвати антинейтринною зіркою.
Геонейтринова телескопія
Наша наука поки нездатна відстежувати екзопланети і тим більше позаземні цивілізації з їх нейтринного випромінювання (хоча потік нейтрино, який супроводжував вибух наднової у Великій Магеллановій Хмарі, був успішно зареєстрований).
Однак детектори цих невловимих частинок вже стають ефективним інструментом моніторингу земних надр. Поки такі дослідження знаходяться в початковій стадії, але геологи і геохіміки бачать за ними велике майбутнє. Зараз вони ведуться на двох підземних установках - KamLAND в Японії і Borexino в Італії. Японський детектор вперше відловив антинейтрино із земних надр у 2005 році, італійський - у 2010-му. Обидві установки були побудовані насамперед заради потреб фундаментальної фізики, але, як виявилося, можуть попрацювати і для наук про Землю. Цієї весни до них підключиться новітній детектор антинейтрино SNO +, встановлений на двокілометровій глибині в нейтринній обсерваторії Седбюрі в канадській провінції Онтаріо.
Підземне око
Детектор Borexino розташований всередині гори Гран-Сассо в Італії і захищений від космічних променів 1400 метрами гірської породи (еквівалентно 3,5 км води). Зовнішня ємність з надчистою водою захищає від нейтронів і гамма-квантів, випромінюваних радіоактивними елементами у складі гірських порід. Внутрішній обсяг розділений на три частини нейлоновими оболонками, що запобігають міграції радону в сцинтилятор. Дві зовнішні буферні зони заповнені псевдокумолом (1,2,4-триметилбензолом), а внутрішній (довірчий) обсяг - органічним сцинтилятором, псевдокумолом з невеликим додаванням флуоресуючого агента (1,5 г/л) 2,5-дифенілоксазолу. Взаємодіючи з нейтрино в сцинтиляторі, електрони породжують сліди у вигляді черенківського випромінювання, яке засікають фотоумножителі.
Заради чого потрібно відстежувати геонейтрино, як їх називають фахівці? По-перше, таким шляхом можна уточнити кількість і склад довгоживучих радіонуклідів у земній корі і глибоко під нею, можливо навіть, що і в ядрі. Зібрані дані вже дозволили (з імовірністю 97%) спростувати теорію, згідно з якою Земля гріється зсередини тільки за рахунок радіоактивних розпадів, а все внутрішнє тепло, накопичене при її формуванні з допланетної речовини, давно розсіялося в космосі.
Реактори природні і рукотворні
Професор геології Мерілендського університету Вільям Мак-Доно розповів «ПМ» про інші можливості використання нейтринних детекторів:
"Наприклад, вони допоможуть остаточно розібратися з гіпотезою про існування в надрах Землі природних ядерних реакторів. Поки вона нічим не підтверджена і, можливо, помилкова, але має своїх прихильників. Якщо такі реактори і справді існують, вони повинні давати специфічні нейтринні підписи, які можна буде зареєструвати ".
Сьогоднішні детектори геонейтрино - це стаціонарні прилади тисячетонної маси. У перспективі можна прогнозувати розробку мобільних детекторів для розміщення на океанському дні. З їх допомогою можна буде картувати зони кори і мантії з підвищеною концентрацією урану і торію, проводячи нейтринну томографію земних надр. Геологи вже говорять про майбутні нейтринні телескопи, що переглядають глибини нашої планети. Для них знадобляться нові детектори, які дозволять з хорошою точністю визначати напрямок нейтринних потоків. Завдання непросте, але в принципі вирішуване.
Ті ж телескопи можна буде використовувати і для контролю за поширенням ядерних озброєнь і ядерних технологій подвійного призначення. Правда, це справа не найближчого майбутнього - спочатку необхідно детально перевірити природний нейтринний фон нашої планети.