Kosmiczna szansa geologii4 sierpnia 2005
Czšsteczki pochodzšce z naturalnego rozpadu elementów promieniotwórczych, obecne wewnštrz naszej planety - odkryli naukowcy z Uniwersytetu Stanforda w Kalifornii.
Noszš nieformalnš nazwę "geologicznych antyneutrin". Odkrycia dokonał 87-osobowy zespół pod kierunkiem profesorów: Giorgio Gratta (Uniwersytet Stanforda w Kalifornii) oraz Asuto Suzuki (Uniwersytet Tohohu w Sendai w Japonii). Najnowsze dokonanie otwiera nowe perspektywy w badaniach ziemskiego globu. Artykuł o tym zamieszcza brytyjskie tygodnik naukowy "Nature".
Astrofizyczna zagadka
Neutrina należš do grona czšstek tworzšcych tak zwany Model Standardowy, opracowany przez fizyków, który wyjania budowę materii. Według tego modelu, istniejš trzy rodzaje neutrin: elektronowe, mionowe i taonowe. Neutrina nie majš ładunku elektrycznego, poza tym majš bardzo małš masę; ponieważ nie oddziałujš silnie (tak jak protony) ani elektromagnetycznie (bo nie majš ładunku elektrycznego), ich oddziaływanie z materiš jest słabe. Dlatego bardzo trudno jest je obserwować. Czšstki te przenikajš przez Ziemię, jak gdyby ta przeszkoda w ogóle nie istniała. Jeden centymetr kwadratowy powierzchni naszej planety jest w cišgu sekundy bombardowany strumieniem 66 miliardów neutrin wytwarzanych wewnštrz Słońca.
W cišgu minionych 30 lat neutrina - docierajšce do Ziemi ze Słońca - stanowiły wielkš zagadkę astrofizycznš. Rzecz w tym, że obserwowano ich znacznie mniej, niż przewidywał to model naszej gwiazdy, mimo że nieustannie był doskonalony. Bilansu docierajšcych do nas neutrin próbowano dokonać najpierw w trakcie eksperymentów radiochemicznych, a następnie zliczajšc je w wielkich podziemnych detektorach. Astrofizycy ostatecznie rozstrzygnęli (Sudbury Neutrino Observatory), że całkowita liczba wszystkich rodzajów docierajšcych do Ziemi neutrin zgadza się z oczekiwaniami - o ile neutrinom elektronowym, powstajšcym w Słońcu, towarzyszš wspomniane już neutrina mionowe i taonowe. Badania neutrin docierajšcych do nas z kosmosu zostały uwieńczone Nagrodš Nobla - otrzymali jš: R. Davis i M. Koshiba.
Neutrina emitowane sš przez gwiazdy w normalnym czasie ich egzystencji, przez supernowe w trakcie tych spektakularnych wybuchów, powstajš także w elektrowniach atomowych i w akceleratorach czšstek, jak również w czasie dezintegracji elementów radioaktywnych na Ziemi - jako pozostałoci "chwil" po poczštkach wszechwiata. To włanie sš "geologiczne antyneutrina"
Astrofizycy szacujš, że za pomocš aktualnie dostępnych urzšdzeń, z miliardów neutrin przenikajšcych przez Ziemię, uczeni sš w stanie "schwytać", "zarejestrować" zaledwie jedno neutrino (co nie przeszkadza w bujnym rozwoju tej dziedziny wiedzy).
Szansa dla geologii
Aby wniknšć do wnętrza Ziemi, naukowcy dysponujš aktualnie tylko urzšdzeniami sejsmologicznymi. Wiercenia praktycznie nie przekraczajš trzech kilometrów. Analizujšc rozchodzenie się zarejestrowanych fal sejsmicznych, ustalili, że glob składa się z kilku podstawowych częci: metalicznego jšdra, płaszcza i skorupy. Ruchy wewnštrz płaszcza powodujš ruchy tektoniczne i w efekcie wstrzšsy sejsmiczne. Ale jest to obraz zarysowany z grubsza, bowiem dotychczas naukowcy nie dysponowali bardziej precyzyjnymi narzędziami do badań wnętrza globu.
Całkowita energia cieplna zawarta w Ziemi - według szacunków geofizyków - wynosi od 30 do 44 terawatów (jeden terawat = 1 miliard kilowatów). Jej lwia częć powstaje z rozpadu trzech podstawowych pierwiastków: uranu 238, toru 232 oraz potasu 40. Energia pochodzšca z tej radioaktywnoci animuje ruchy płyt tektonicznych. Ale rozpad tych pierwiastków promieniotwórczych jest także przyczynš powstawania "geologicznych neutrin".
Badaniami tych "geologicznych neutrin" zajęło się laboratorium zagłębione 1000 metrów pod ziemiš, w opuszczonej kopalni niklu w Kanadzie. Umieszczono tam ciężkš wodę, która jest w stanie reagować z dziesięcioma neutrinami na dobę. Laboratorium jest to plastikowa kula zawierajšca ciężkš wodę, czyli płyn kontrastowy, otoczona 1325 czujnikami. Za każdym razem, gdy geologiczne neutrino reaguje z protonem płynu kontrastowego - powstaje elektron i zwyczajne neutrino; reaguje ono z protonem, tworzšc deuteron; przy okazji powstaje energia - charakterystyczny rozbłysk promieniowania gamma. Ten rozbłysk jest chwytany i wzmacniany przez czujniki, a następnie analizowany za pomocš specjalnego programu komputerowego. W ten sposób naukowcy okrelajš energię neutrin oraz kierunek, w jakim zmierzajš. Analiza ich toru poprzez ziemski glob umożliwi dokładniejsze wniknięcie w jego budowę. Geolodzy obiecujš sobie bardzo wiele po tej astrofizycznej technice.
W cišgu dwóch lat Sudbury Neutrino Observatory zarejestrowało 152 neutrina, z czego jedynie 25 naukowcy uznali za neutrina geologiczne, pochodzšce z rozpadu uranu i toru we wnętrzu naszego globu. - Analizujšc te czšsteczki, doszlimy do wniosku, że rozpad uranu i toru dostarcza naszemu globowi ogromnej iloci energii cieplnej - około 16 terawatów. Obserwacja ta pozostaje w zgodzie z teoretycznie opracowanym modelem - powiedział prof. Norman Sleep z Uniwersytetu Stanforda.
autor: KRZYSZTOF KOWALSKI
źródło: Rzeczpospolita - 04.08.2005 Nr 181
Astrofizyczna zagadka
Neutrina należš do grona czšstek tworzšcych tak zwany Model Standardowy, opracowany przez fizyków, który wyjania budowę materii. Według tego modelu, istniejš trzy rodzaje neutrin: elektronowe, mionowe i taonowe. Neutrina nie majš ładunku elektrycznego, poza tym majš bardzo małš masę; ponieważ nie oddziałujš silnie (tak jak protony) ani elektromagnetycznie (bo nie majš ładunku elektrycznego), ich oddziaływanie z materiš jest słabe. Dlatego bardzo trudno jest je obserwować. Czšstki te przenikajš przez Ziemię, jak gdyby ta przeszkoda w ogóle nie istniała. Jeden centymetr kwadratowy powierzchni naszej planety jest w cišgu sekundy bombardowany strumieniem 66 miliardów neutrin wytwarzanych wewnštrz Słońca.
W cišgu minionych 30 lat neutrina - docierajšce do Ziemi ze Słońca - stanowiły wielkš zagadkę astrofizycznš. Rzecz w tym, że obserwowano ich znacznie mniej, niż przewidywał to model naszej gwiazdy, mimo że nieustannie był doskonalony. Bilansu docierajšcych do nas neutrin próbowano dokonać najpierw w trakcie eksperymentów radiochemicznych, a następnie zliczajšc je w wielkich podziemnych detektorach. Astrofizycy ostatecznie rozstrzygnęli (Sudbury Neutrino Observatory), że całkowita liczba wszystkich rodzajów docierajšcych do Ziemi neutrin zgadza się z oczekiwaniami - o ile neutrinom elektronowym, powstajšcym w Słońcu, towarzyszš wspomniane już neutrina mionowe i taonowe. Badania neutrin docierajšcych do nas z kosmosu zostały uwieńczone Nagrodš Nobla - otrzymali jš: R. Davis i M. Koshiba.
Neutrina emitowane sš przez gwiazdy w normalnym czasie ich egzystencji, przez supernowe w trakcie tych spektakularnych wybuchów, powstajš także w elektrowniach atomowych i w akceleratorach czšstek, jak również w czasie dezintegracji elementów radioaktywnych na Ziemi - jako pozostałoci "chwil" po poczštkach wszechwiata. To włanie sš "geologiczne antyneutrina"
Astrofizycy szacujš, że za pomocš aktualnie dostępnych urzšdzeń, z miliardów neutrin przenikajšcych przez Ziemię, uczeni sš w stanie "schwytać", "zarejestrować" zaledwie jedno neutrino (co nie przeszkadza w bujnym rozwoju tej dziedziny wiedzy).
Szansa dla geologii
Aby wniknšć do wnętrza Ziemi, naukowcy dysponujš aktualnie tylko urzšdzeniami sejsmologicznymi. Wiercenia praktycznie nie przekraczajš trzech kilometrów. Analizujšc rozchodzenie się zarejestrowanych fal sejsmicznych, ustalili, że glob składa się z kilku podstawowych częci: metalicznego jšdra, płaszcza i skorupy. Ruchy wewnštrz płaszcza powodujš ruchy tektoniczne i w efekcie wstrzšsy sejsmiczne. Ale jest to obraz zarysowany z grubsza, bowiem dotychczas naukowcy nie dysponowali bardziej precyzyjnymi narzędziami do badań wnętrza globu.
Całkowita energia cieplna zawarta w Ziemi - według szacunków geofizyków - wynosi od 30 do 44 terawatów (jeden terawat = 1 miliard kilowatów). Jej lwia częć powstaje z rozpadu trzech podstawowych pierwiastków: uranu 238, toru 232 oraz potasu 40. Energia pochodzšca z tej radioaktywnoci animuje ruchy płyt tektonicznych. Ale rozpad tych pierwiastków promieniotwórczych jest także przyczynš powstawania "geologicznych neutrin".
Badaniami tych "geologicznych neutrin" zajęło się laboratorium zagłębione 1000 metrów pod ziemiš, w opuszczonej kopalni niklu w Kanadzie. Umieszczono tam ciężkš wodę, która jest w stanie reagować z dziesięcioma neutrinami na dobę. Laboratorium jest to plastikowa kula zawierajšca ciężkš wodę, czyli płyn kontrastowy, otoczona 1325 czujnikami. Za każdym razem, gdy geologiczne neutrino reaguje z protonem płynu kontrastowego - powstaje elektron i zwyczajne neutrino; reaguje ono z protonem, tworzšc deuteron; przy okazji powstaje energia - charakterystyczny rozbłysk promieniowania gamma. Ten rozbłysk jest chwytany i wzmacniany przez czujniki, a następnie analizowany za pomocš specjalnego programu komputerowego. W ten sposób naukowcy okrelajš energię neutrin oraz kierunek, w jakim zmierzajš. Analiza ich toru poprzez ziemski glob umożliwi dokładniejsze wniknięcie w jego budowę. Geolodzy obiecujš sobie bardzo wiele po tej astrofizycznej technice.
W cišgu dwóch lat Sudbury Neutrino Observatory zarejestrowało 152 neutrina, z czego jedynie 25 naukowcy uznali za neutrina geologiczne, pochodzšce z rozpadu uranu i toru we wnętrzu naszego globu. - Analizujšc te czšsteczki, doszlimy do wniosku, że rozpad uranu i toru dostarcza naszemu globowi ogromnej iloci energii cieplnej - około 16 terawatów. Obserwacja ta pozostaje w zgodzie z teoretycznie opracowanym modelem - powiedział prof. Norman Sleep z Uniwersytetu Stanforda.
autor: KRZYSZTOF KOWALSKI
źródło: Rzeczpospolita - 04.08.2005 Nr 181