Открыт новый метод изучения истории Земли, основанный на свойствах нейтрино

Просмотров: 554

rift rio grande
© Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY; A Research Centre of the Helmholtz Association

31 марта 2021 г.

По данным исследователей из Университета Мичигана, ключ к тайнам истории Земли может лежать в кристаллической структуре горных пород. Результаты нового исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

В их исследовании описывается инновационный метод «палео-детекторов», вдохновленный научными работами 60-х годов. Этот метод основывается на взаимодействии космических лучей с минералами группы галита (каменная соль).

Ведущий автор исследования, физик элементарных частиц и доцент кафедры физики Университета Массачусетса Джошуа Спитц пишет: «Земля находится под постоянным воздействием космических лучей. Изучение космических потоков, попадающих на границу атмосферы нашей планеты и состоящих из высокоэнергетичных заряженных и нейтральных частиц, является одной из важнейших экспериментальных задач современности».

Одним из видов таких частиц являются нейтрино – самые загадочные из всех известных науке частиц по целому ряду причин. Основная причина – они обладают феноменальной проникающей способностью. Эти частицы преодолевают невообразимые толщины вещества, не реагируя на его присутствие. Материя как будто бы прозрачна для нейтрино. Двигаясь сквозь Землю, нейтрино могут проходить через её атмосферу, а затем и земную кору без какого либо взаимодействия. И только лишь глубоко в Земле они оставляют свой след в кристаллической структуре минералов-палеодетекторов. Следы движения этих удивительных частиц являются основным объектом данного исследования.

«Каждую секунду около ста миллиардов нейтрино от Солнца проходят через кончики ваших пальцев, но почти ни одно из них не взаимодействует с ними. То же самое относится и к атмосферным нейтрино, которые редко с ней взаимодействуют. Однако, время от времени одно из этих атмосферных нейтрино сталкивается с ядром атома, приводя его в движение», – говорит соавтор исследования, аспирант Мичиганского университета Джонатан Джордан.

В результате, ядро перемещается на совсем крошечное расстояние – от нескольких единиц до нескольких сотен микрон в длину. Для сравнения, человеческий волос имеет ширину около 70 микрон. Ученым удалось зарегистрировать это движение по следу, которое ядро оставляет, прокладывая свой крошечный путь сквозь кристаллическую решетку горной породы.

Говоря о плюсах своего метода, исследователи сравнивают его с искуственными детекторами нейтронов и с методами изучения темной материи. Как известно, в различных точках Земного шара строятся нейтринные детекторы различного типа. Они имеют большие чувствительные объёмы (до 1 км3) и размещаются глубоко под водой или землёй, чтобы предельно снизить естественный фон. Но затраты на их постройку, функционирование и ремонт – необычайно высоки. Методы изучения темной материи, где в качестве детектора выступает аргон и ксенон, тоже обладают множеством издержек, не свойственных методу естественных палеодетекторов, таких как, например, высокая стоимость, огромная площадь установки и так далее.

Ещё одним важным преимуществом метода палеодетекторов является время. У исследователей нет необходимости ждать 10, 20, 30 лет, так как возраст исследуемых пород значительно выше и сопоставим зачастую с возрастом самой планеты.

По словам ученых, обнаружение описанных изменений в структуре горных пород и последующее определение их возраста могло бы помочь ученым точно определить, когда произошло то или иное космическое событие, приведшее к увеличtнию воздействия космических лучей на Землю в течение определенного геологического периода её истории, а также ответить на более широкие вопросы геофизики о скорости космических лучей и о свойствах космической радиации.

Читать подробнее:

Measuring Changes in the Atmospheric Neutrino Rate over Gigayear Timescales

Источник: Physical Review Letters

Перевод/адаптация текста: «Вестник ОНЗ РАН»

Печать

Joomla SEF URLs by Artio