Az SNO+ nevű neutrínókísérlet a kanadai Snolab Creighton bánya mélyén rejtőzik. A 2 kilométer mélyen található létesítmény szíve egy 12 méteres akrilgömb, amelyet közel 10 ezer érzékeny fotodetektor vesz körül, amelyek érzékelik gömbben található 780 tonnányi folyékony szcintillátor felvillanásait, amikor nagy energiájú részecskék haladnak át rajta. A rendszert körülvevő víz és a fölötte lévő kőzet árnyékolja a detektort a kozmikus sugárzástól, lehetővé téve, hogy a ritkábban előforduló részecske-kölcsönhatások is érzékelhetők legyenek.
A kísérlet abszolút sötétséget igényel, a látható fény spektrumán túl is. Amikor valaki leereszkedik a főaknában, és áthalad a sziklás alagúton a laboratórium felé, testére és ruháira kis mennyiségű radioaktív radonpor rakódik le, ezért mielőtt belép a fő laboratóriumi térbe, le kell zuhanyoznia és átöltözni, hogy minimálisra csökkentse a behozott szennyeződést.
Ilyen szélsőséges intézkedésekre van szükség a szellemrészecskék elcsípéséhez, amelyek segíthetnek feltárni a Föld mélyén fekvő, megközelíthetetlen régiók titkait.
Radioaktív bolygó
A neutrínók a leggyakoribb tömeggel rendelkező részecskék, de tömegük nagyon kicsi: csupán az elektron tömegének egymilliomod része. Csekély tömegük és semleges elektromágneses töltésük miatt ezek a részecskék szinte soha nem lépnek kölcsönhatásba más anyaggal. Másodpercenként billiószámra haladnak át a testünkön, mégis mindössze néhány százezer értékes villanást tudtak detektálni a kutatók az elmúlt évek alatt az SNO+ és hasonló detektorok révén, amelyek ezen részecskék létéről árulkodnak. Ezek többsége a Napból származó neutrínó volt.
Még ennél is nehezebb kimutatni a geoneutrínókat, amelyekből több évtized alatt is csak néhány százat detektáltak. A geoneutrínók olyan folyamatok során keletkeznek, amelyek felmelegítik a bolygó belsejét. Ez a hő jelentős szerepet játszik a köpenyben zajló kőzetáramlás fenntartásában, amely a lemeztektonikától a Föld mágneses mezőjéig sok mindent alakít. Két fő forrásból származik: a bolygó kialakulásából visszamaradt hőből, valamint a köpeny és a kéreg kőzeteiben található urán, tórium és kálium bomlásából származó hőből. E második forrás nélkül a Föld már réges-rég lehűlt volna, és tektonikailag halott bolygó lenne.
A geoneutrínók számlálásával a fizikusok közvetlen információt kaphatnak a Föld létfontosságú, hőtermelő elemeiről. „Ez az egyetlen dolog, amit a Földre összpontosítva végzünk. Minden más tevékenységünk inkább arra összpontosít, ami az univerzum más vidékeiről érkezik hozzánk” – mondta Ryan Bayes, a Queen’s University részecskeasztrofizikusa, aki az SNO+ projekten dolgozik.
A geoneutrínók első észlelése a japán Kamland nevű detektorhoz köthető, és 2005-ben számoltak be róla. 2009-ben az olaszországi Borexino detektor több tucat további geoneutrínót detektált. Az SNO+ kutatói 2025 novemberében jelentették be az első sikeres észleléseket, körülbelül 50-nel növelve a megfigyelt geoneutrínók számát.
Az SNO+ észleléseit a kísérlet helyszíne teszi különlegessé: ezek az első geoneutrínók, amelyeket a nyugati féltekén detektáltak, így új perspektívát nyújtanak a Föld radioaktív belsejével kapcsolatban.
A kísérletek eredményeinek értelmezésében továbbra is jelentős bizonytalanságok vannak, de a kutatók legjobb becslései szerint minden detektor eltérő fluxust mér. „Ez lehet az első jel arra, hogy a köpeny nem egyenletes” – mondta Mark Chen, a Queen’s University részecskeasztrofizikusa, az SNO+ kollaboráció igazgatója. A geokémikusok hagyományosan azt feltételezték, hogy a radioaktív elemek egyenletesen oszlanak el a köpenyben, mivel a folyékony kőzetben minden összekeveredik. A különböző helyszíneken végzett geoneutrínó-mérések azonban azt sugallják, hogy ez nem így van.
Azok a régiók, amelyek látszólag a legtöbb geoneutrínót termelik, azon nagyjából kontinensméretű, rendkívül forró és sűrű anyagból álló foltok felett helyezkednek el, amelyeket nagy alacsony nyírási sebességű tartományoknak (LLSVP) neveznek, és amelyeket a szeizmológusok a mag mindkét oldalán feltérképeztek. Az egyik Afrika alatt, a másik a Csendes-óceán alatt található.
„Lehet, hogy a köpenyben vannak olyan mély struktúrák, amelyeket még nem ismerünk, és lehet, hogy ezek bizonyos elemeket koncentrálnak”
– mondja Chen.
A neutrínók egy napon új betekintést nyújthatnak ezeknek a mély struktúráknak a még mindig rejtélyes eredetébe, és tágabb értelemben a köpenyben kirajzolódó mintázatokba, amelyek a Föld rendszerének számos aspektusát meghatározzák. „Ez valóban fontos módszer lehet a Föld belső, kémiai térképének elkészítésére” – mondta William McDonough, a Kínai Tudományos Akadémia geokémikusa, aki régóta vezető szerepet tölt be a geoneutrínók kutatásában.
A geoneutrínók észlelése
Nyitott kérdés, hogy a geoneutrínó-mérések valóban különbségeket tárnak-e fel a kísérletek alatt fekvő köpenyterületek között, vagy az egyensúlyhiány abból ered, hogy a különböző kísérletek eltérő módon számolják a geoneutrínókat. A kutatók egybehangzóan hangsúlyozzák, hogy még mindig olyan nagy a bizonytalanság, hogy ezt lehetetlen megmondani.
„Ha a látszatot vesszük alapul, azt mondhatnánk, hogy talán a nyugati féltekén sokkal több radioaktív anyag van, mint a keleti féltekén” – mondta McDonough. De számos okból óvatosan kell kezelni ezeket a becsléseket. „Az olaszoknak van igazuk? Vagy a japánoknak? Vagy mindenkinek? Esetleg valami nem stimmel?” – folytatja a szakértő. Az egyes detektorok eredményeivel kapcsolatos bizonytalanságok abból a szűrési folyamatból adódnak, amelyet a fizikusok a geoneutrínók azonosításához végeznek – magyarázta Bayes. A részecskék ugyanis sajnos nem mutatkoznak be észleléskor, mondja a szakértő.
A kutatóknak ki kell szűrniük a túl nagy energiájú részecskék jeleit, a spin tekintetében helytelen értékű részecskék jeleit, valamint azokat a részecskéket, amelyekről feltételezik, hogy atomerőművekből származnak. Ki kell szűrniük a Föld kéregéből érkező geoneutrínókat is, amelyek közül a legtöbb a detektor néhány száz kilométeres körzetéből származik. Amikor ezeket kivonják a teljes számból, csak a köpenyből érkező geoneutrínó-jeleknek kellene maradniuk.
Általánosságban elmondható, hogy a köpenyből származó geoneutrínó-fluxus a Borexinónál nagyon magasnak, a Kamlandnál pedig nagyon alacsonynak tűnik, bár a bizonytalanságok nagyok. Az SNO+ eredményeinek részletes geológiai értelmezése még folyamatban van, mondja Chen, de eddig a szakértők egy „elég közepes” köpenyt látnak Kanada alatt.
Különös kihívást jelent az SNO+ kutatói számára a detektor környékéről érkező neutrínók megértése, ideértve egy 1,8 milliárd évvel ezelőtti óriási becsapódás által kialakított medencét is. „Sok ismeretlen tényező van ebben a geológiai területen” – mondta Virginia Strati, az olaszországi Ferrara Egyetem kutatója, aki segített kidolgozni a Snolab számára egy helyi radioaktivitási modellt.
A bizonytalanság abból is fakad, hogy nem ismerjük pontosan a köpenyt felmelegítő radioaktív anyagok teljes mennyiségét. A geoneutrínó-fluxus alapján ezek az elemek a hőtermelésnek csak egy kis százalékát, de akár a felét is kitehetik – ez az eltérés több tízezer atomerőmű teljesítményének felel meg.
Mindkét bizonytalansági forrás tovább nehezíti a köpeny egyes részeinek kémiai összetétele közötti különbségek kimutatását. A radioaktív elemek különböző eloszlásaitól várható geoneutrínó-fluxusbeli különbség nagyon kicsi, és elrejtőzik ezekben a bizonytalanságokban, mondja Strati.
Fluxusban
Az SNO+ által végzett detektálás a geoneutrínó-kutatás számára izgalmas pillanatban érkezik: a JUNO, egy másik hatalmas neutrínókísérlet, amely jelenleg Kínában gyűjt adatokat, várhatóan még ebben az évben szolgáltatja első geoneutrínó-fluxusát, ezzel egy negyedik nézőpontot, és jelentősen gazdagabb képet kínálva a kutatásokhoz.
A több mint 20 ezer tonnányi szcintillátorral ellátott kísérlet, amelyet Guangzhou városán kívül egy hegy alatt helyeztek el, olyan hatalmas, hogy várhatóan már az első évében több geoneutrínót fog észlelni, mint amennyit a Kamland, a Borexino és az SNO+ együttesen az elmúlt évtizedek alatt.
Az egyes kísérleteknél mért geoneutrínó-fluxus pontosabb becslései részletesebb geológiai adatokból, valamint az egyes helyszíneken végzett további geoneutrínó-számlálásokból származhatnak. McDonough szerint azonban a legjobb megoldás az lenne, ha az óceán fenekére telepítenének egy neutrínódetektort. Egy ilyen létesítmény messze lenne a radioaktív elemekben gazdag kontinentális kőzetektől, az óceáni kéreg ráadásul vékonyabb és egyenletesebb is. A kéreggel kapcsolatos bizonytalanságok így jelentősen lecsökkennének.
Az óceánfenéki detektor ötlete, amelynek költségeit több száz millió dollárra becsülik, eddig alig talált visszhangra a kormányzati finanszírozók körében. McDonough most abban reménykedik, hogy Kínában sikerül majd megvalósítania a tervet, mivel az ország már más nagy földtudományi projekteknek is zöld utat adott.
