Нейтринный "рентген" поможет геологам

Физики из Перу предложили оригинальный метод геологической разведки полезных ископаемых. Они предлагают время от времени устраивать нашей планете что-то вроде сеансов рентгенографии, но не с помощью традиционных рентгеновских лучей, а с использованием потоков нейтрино. Эти частицы способны рассказать о неизвестных подземных залежах нефти и железа.

Фото:

Из всех фундаментальных частиц нейтрино больше всего напоминают того самого неуловимого Джо из анекдота — как мы помним, его не могли поймать лишь потому, что он не был никому нужен. Действительно, до сих пор люди не могли придумать, как им использовать этих маленьких и шустрых странников по Вселенной. Ведь эти нейтральные частицы с очень малой массой и полуцелым спином, по данным ученых, участвуют лишь в слабом и гравитационном взаимодействиях — а их люди пока что не научились использовать.

Однако давно было замечено, что у нейтрино есть одно интересное свойство. Они могут проходить через любое вещество, практически не взаимодействуя с его атомами. Так, например, известно, что каждую секунду через площадку на Земле в квадратный сантиметр проходит около 6×10¹⁰ нейтрино, испущенных нашим Солнцем. Однако никто не ощущает этого — ни камни, ни вода, ни воздух, ни, в конце концов, животные и растения. Однако сами нейтрино это ощущают — во время прохождения через вещество с ними случаются так называемые нейтринные осцилляции.

Что же это такое? Как мы помним, нейтрино подразделяются на электронные (первое поколение), мюонные (второе поколение) и тау-нейтрино (третье поколение). Частицы каждого поколения отличаются друг от друга массой и ароматом (под этим термином следует понимать вовсе не запах, а ряд квантовых чисел, описывающих основные характеристики частицы).

Так вот, физики уже давно заметили, что при прохождении через вещество нейтрино, хоть очень слабо, но все-таки взаимодействуя с электронами атомов или решетки последнего, начинают превращаться в своих собратьев из другого поколения. Проще говоря, эти взаимодействия изменяют в основном аромат микроскопических странников. Это и называется нейтринными осцилляциями.

Открытие данного процесса, названного эффектом Михеева-Смирнова-Вольфенштейна, помогло, в частности, разгадать одну загадку, долго мучившую физиков — почему количество электронных нейтрино, доходящих до земных детекторов, намного меньше такового, испускаемого Солнцем (который и является самым близким к Земле основным источником нейтрино). Чуть позже было выяснено, что в результате подобных осцилляций может также произойти превращение нейтрино в своего антипода — то есть антинейтрино.

Итак, теперь понятно, что при взаимодействии с веществом нейтрино могут превращаться друг в друга. Более того, не так давно были проведены расчеты, согласно которым, тип осцилляции зависит от того, через какое именно вещество пройдет исходная частица. Так, при взаимодействии с частицами одного вещества, электронное, например, нейтрино может превратиться в мюонное, при взаимодействии с другим веществом — в тау-нейтрино, а с третьим — вообще в антинейтрино.

Из этого следует, что поток нейтрино, постоянно проходящий сквозь нашу Землю, должен содержать частицы с разными ароматами, да к тому же еще и в разных пропорциях. Конкретное их соотношение будет зависеть от расстояния, преодоленного нейтрино, и взаимодействий его с другими частицами, состоявшихся за это время. Это предположение натолкнуло физиков из группы Карлоса Аргуэльо (Католический университет в Лиме, Перу) на мысль использовать эти частицы для своеобразного "рентгена" недр нашей планеты.

Ученые предложили фиксировать поток нейтрино, создаваемый специальной установкой на одной стороне Земли, с помощью детектора на другом участке земной поверхности. Таким образом, проходя сквозь толщу планеты, нейтрино будут осциллировать, переходя из одного аромата в другой, и некоторые детали этого процесса будут определяться особенностями взаимодействия их с веществом разной плотности. Ну, а потому, как именно шли осцилляции, можно будет определить, через какое именно вещество проходили частицы в конкретном месте нашей планеты.

Авторы работы тщательно проанализировали, как будет влиять на нейтрино прохождение через скрытые под поверхностью Земли области разной плотности, разных форм и размеров и даже составили некую шкалу осцилляций. По их мнению, данный метод позволит обнаруживать полости размерами от 200 километров в поперечнике, заполненные водой, железосодержащими минералами и даже нефтью (обнаружение которой на данный момент является основной задачей геологической разведки любого государства). Причем для того, чтобы "просветить" Землю с помощью нейтрино и на обработку полученных результатов в каждом конкретном случае уйдет не более трех месяцев, тогда как стандартная разведка может длиться годами и даже десятилетиями.

Кроме того, ученые полагают, что тем же путем возможно обнаружить скрытые под поверхностью планеты так называемые области аномального накопления заряда. Напомню, что таковые зоны, где скапливается огромное количество заряженных частиц, являются как бы "предвестниками" скорого землетрясения. Таким образом, обнаружив эти участки, можно будет давать более точные прогнозы относительно того, где и когда в ближайшее время земля будет ходить ходуном.

Итак, как видите, и нейтрино могут хоть для чего-нибудь, а пригодиться. Впрочем, другие физики, ознакомившись с работой коллег из Перу, нашли ее прекрасной, однако заметили, что на практике подобное осуществить пока сложновато. Дело в том, что для подобного "рентгена" Земли нужен куда более (в несколько тысяч раз) интенсивный поток нейтрино, чем сейчас могут создать самые мощные ускорители. И, кроме того, необходимы сверхчувствительные детекторы, которые пока что невозможно создать. Поэтому, по трезвым и взвешенным расчетом, первый сеанс земного "рентгена" можно будет устроить как минимум лет через пятьдесят, но никак не раньше.

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"