«ژئونوترینوهای» گریزان در حال ساختن نقشه جدیدی از فضای داخلی فرار زمین هستند

به طور معمول، غار یکی از تاریک ترین مکان های روی زمین است، اما امروزه برای تعمیر و نگهداری روشن شده است و فرصتی نادر برای دیدن داخل آن به ما می دهد. من از طریق دریچه به دپاتی نگاه می کنم که او برای بررسی آزمایش غوطه ور پارو می زند. او در حال بررسی یک آشکارساز به اندازه خانه است که برای گرفتن برخی از گریزناپذیرترین ذرات شناخته شده در فیزیک ساخته شده است: نوترینوها. این آزمایش نوترینو SNO+ است که در اعماق معدن کریتون در اسنولاب، یک آزمایشگاه فیزیک زیرزمینی در سادبری، کانادا مدفون شده است.

SNO+ شامل یک کره اکریلیک است که با نزدیک به 10000 آشکارساز نور حساس پوشانده شده است و با 780 تن سوسوزن مایع روغنی پر شده است که وقتی توسط ذرات پر انرژی روشن می شود چشمک می زند. آب اطراف دستگاه و صخره بالای آن آشکارساز را در برابر تابش تابش کیهانی محافظت می کند و به سوسوهای فعل و انفعالات ذرات کمتر متداول اجازه می دهد تا از طریق آن بدرخشد. کل سفر ما به پایین بخشی از جنگ صلیبی برای حفظ تاریکی مطلق، حتی فراتر از طیف مرئی نور بوده است.

همانطور که از شفت اصلی پایین آمدیم و از طریق یک تونل صخره ای به سمت آزمایشگاه راه رفتیم، بدن و لباس های ما مقادیر بسیار کمی از غبار رادون رادیواکتیو را جمع آوری کردند. قبل از ورود به فضای اصلی آزمایشگاه، لباس‌های معدن خود را پرت کردیم، دوش گرفتیم و لباس‌های آبی برقی و کت موی خود را عوض کردیم تا آلودگی را که با خود حمل می‌کردیم به حداقل برسانیم.

دپاتی در حالی که ما عوض می شدیم گفت: «دوش ها برای شما نیستند، آنها برای علم هستند.» چنین افراطی‌هایی زمانی ضروری است که می‌خواهید ارواح را بگیرید - در این مورد، ارواحی که ممکن است به افشای اسرار مناطق غیرقابل دسترس در اعماق زمین کمک کنند. ژئونوترینوها حتی گریزان تر - به حدی که پس از دهه ها جستجو، دانشمندان تنها چند صد مورد از آنها را شناسایی کرده اند. ژئونوترینوها در فرآیندهایی تولید می شوند که فضای داخلی سیاره را گرم می کنند.

این گرما نقش عمده‌ای در تامین نیروی جریان سنگ‌ها در گوشته دارد، که همه چیز را از تکتونیک صفحه گرفته تا میدان مغناطیسی زمین شکل می‌دهد. از دو منبع اصلی می آید: گرمای باقی مانده از شکل گیری سیاره، و گرمای تولید شده از تجزیه اورانیوم، توریم و پتاسیم در سنگ های گوشته و پوسته. بدون این منبع دوم، زمین از مدت ها قبل سرد شده و به یک سیاره مرده تکتونیکی تبدیل می شد. در شمارش ژئونوترینوها، فیزیکدانان می توانند اندازه گیری مستقیمی از عناصر حیاتی تولید کننده گرما در زمین بدست آورند.

رایان بیز، اخترفیزیکدان ذرات در دانشگاه کوئینز در انتاریو که روی SNO+ کار می‌کند، می‌گوید: «این تنها کاری است که ما انجام می‌دهیم که بر روی زمین تمرکز می‌کند. "هر کار دیگری که انجام می دهیم بیشتر بر آنچه از مکان های دیگر در جهان دریافت می کنیم متمرکز است." اولین کشف ژئونوترینوها توسط ابزاری در ژاپن به نام کاملند در سال 2005 گزارش شد. در سال 2009، آشکارساز Borexino در ایتالیا گزارش داد که چندین ده مورد دیگر را گرفته است.

در نوامبر 2025، SNO+ اولین تشخیص خود را گزارش کرد که تعداد ژئونوترینوهای مشاهده شده را حدود 50 عدد افزایش داد. چیزی که تشخیص‌ها در SNO+ را خاص می‌کند، مکان آزمایش است: این‌ها اولین ژئونوترینوهایی هستند که در نیمکره غربی اندازه‌گیری شده‌اند و چشم‌انداز جدیدی از درون رادیواکتیو زمین ارائه می‌دهند. عدم قطعیت های عمده در تفسیر نتایج حاصل از این آزمایش ها باقی مانده است، اما بهترین تخمین های محققان نشان می دهد که هر سایت شار متفاوتی را اندازه گیری می کند.

مارک چن، اخترفیزیکدان ذرات در دانشگاه کوئین و مدیر همکاری SNO+، می‌گوید: «ممکن است این اولین اشاره به این باشد که گوشته یکنواخت نیست. ژئوشیمی دانان به طور متعارف فرض می کنند که عناصر رادیواکتیو به طور مساوی در سراسر گوشته توزیع می شوند، زیرا سنگ جاری باید همه چیز را با هم مخلوط کند.

اما اندازه‌گیری ژئونوترینوها در مکان‌های مختلف می‌تواند نشان دهد که اینطور نیست. مناطقی که به نظر می‌رسد بیشترین ژئونوترینوها را تولید می‌کنند تقریبا بالای حباب‌هایی به اندازه قاره از مواد غیرعادی داغ و متراکم قرار دارند که به عنوان استان‌های بزرگ با سرعت برشی کم یا LLSVP شناخته می‌شوند، که زلزله‌شناسان در دو طرف هسته نقشه‌برداری کرده‌اند. یکی زیر آفریقا و دیگری زیر اقیانوس آرام. چن گفت: "ممکن است ساختارهای عمیق زمین در گوشته وجود داشته باشد که قابل درک نباشد."

ممکن است [آنها] برخی از عناصر را متمرکز کنند.» نوترینوها روزی می توانند بینش جدیدی در مورد منشاء هنوز مرموز این ساختارهای عمیق و به طور گسترده تر، الگوهای موجود در گوشته که زیربنای بسیاری از جنبه های منظومه زمین هستند، ارائه دهند. ویلیام مک‌دوناف، ژئوشیمی‌دان آکادمی علوم چین که مدت‌ها صدای پیشرو در جستجوی ژئونوترینوها بوده است، می‌گوید: «این واقعا راهی برای تهیه نقشه شیمیایی از درون زمین خواهد بود. سوال مهم این است که آیا اندازه‌گیری‌های ژئونوترینو تفاوت‌هایی را بین نواحی گوشته در زیر هر آزمایش نشان می‌دهند.

nt، یا اگر عدم تعادل در روش شمارش ژئونوترینوهای آزمایش‌های مختلف سرچشمه می‌گیرد. محققان سراسر می گویند هنوز آنقدر ابهام وجود دارد که نمی توان گفت. مک دوناف گفت: «اگر آن را به صورت اسمی در نظر بگیریم، می توانیم بگوییم که شاید نیمکره غربی مواد رادیواکتیو بسیار بیشتری نسبت به نیمکره شرقی در خود دارد. اما دلایلی برای محتاط بودن نسبت به این تخمین ها وجود دارد.

"آیا ایتالیایی ها درست می گویند؟ آیا ژاپنی ها درست می گویند؟ آیا هر دو درست هستند؟ یا چیزی اشتباه است؟" او گفت. بیز گفت، عدم قطعیت های مرتبط با نتایج هر آشکارساز ناشی از فرآیند مرتب سازی است که فیزیکدانان برای شناسایی ژئونوترینوها طی می کنند. آنها فقط ظاهر نمی شوند و می گویند: "سلام، من یک ژئونوترینو هستم." دانشمندان باید سیگنال‌های ذرات با انرژی بیش از حد، ذرات با اندازه‌گیری اشتباه خاصیتی به نام مارپیچ و ذراتی را که انتظار دارند از رآکتورهای هسته‌ای جریان پیدا کنند، حذف کنند.

آن‌ها همچنین باید ژئونوترینوهایی را که از پوسته زمین می‌آیند، با بیشترین سهم از ناحیه چند صد کیلومتری آشکارساز حذف کنند. وقتی آن تشخیص های دیگر از تعداد کل کم شود، سیگنال ژئونوترینو از گوشته باید تنها چیزی باشد که باقی می ماند. به طور کلی، شار ژئونوترینو از گوشته به نظر می رسد در Borexino بسیار زیاد و در Kamland بسیار کم باشد، اگرچه عدم قطعیت ها بسیار زیاد است.

به گفته چن، تفسیر زمین‌شناسی دقیق از نتایج SNO+ هنوز در حال انجام است، اما دانشمندان تاکنون گوشته‌ای «بین‌المللی» را در زیر کانادا مشاهده کرده‌اند. یک چالش خاص برای دانشمندان SNO+ درک نوترینوهایی است که از محیط اطراف آشکارساز می آیند، از جمله حوضه ای که 1.8 میلیارد سال پیش توسط یک ضربه گیر غول پیکر تشکیل شده است.

ویرجینیا استراتی، محقق دانشگاه فرارا در ایتالیا که به توسعه یک مدل محلی از رادیواکتیویته برای اسنولاب کمک کرده است، می گوید: «ناشناخته های زیادی در این منطقه زمین شناسی وجود دارد. عدم قطعیت همچنین از برآورد مقدار کل مواد رادیواکتیو که گوشته را گرم می کند ناشی می شود. شار ژئونوترینوها نشان می‌دهد که این عناصر می‌توانند از درصد کمی از گرمای آن تا نیمی از آن را تامین کنند - اختلافی معادل خروجی ده‌ها هزار نیروگاه هسته‌ای. هر دو منبع عدم قطعیت تشخیص هر گونه تفاوت بین آنها را دشوارتر می کند

ترکیب شیمیایی بخش های خاصی از گوشته استراتی گفت، تفاوت در شار ژئونوترینو مورد انتظار از توزیع های مختلف عناصر رادیواکتیو "بسیار ناچیز است و در این عدم قطعیت ها پنهان است." تخمین‌های واضح‌تر از شار ژئونوترینو در هر آزمایش می‌تواند از داده‌های زمین‌شناسی دقیق‌تر و همچنین تعداد بیشتر ژئونوترینوها در هر مکان به دست آید. با این حال، مک‌دوناف می‌گوید بهترین کار ساخت یک آشکارساز نوترینو در کف اقیانوس است.

این ایده ای است که مک دونا چندین دهه از آن دفاع کرده است. چنین آشکارساز از سنگ های قاره ای که سرشار از عناصر رادیواکتیو هستند دور خواهد بود. پوسته اقیانوسی نیز نازک تر و یکنواخت تر است. او گفت که عدم قطعیت های مربوط به پوسته به حدی کاهش می یابد که "شما در قلمرو فقط گوشته هستید". ایده ردیاب کف اقیانوس که صدها میلیون دلار هزینه دارد، تا به امروز مورد استقبال کمی از سوی سرمایه گذاران دولتی قرار گرفته است. اما مک دونا امیدوار است که بتواند اتفاقی را در چین که به پروژه‌های بزرگ علوم زمین چراغ سبز نشان داده است، انجام دهد. او گفت: «خیلی ممکن است.

تا آن زمان، فیزیکدانان برای یافتن پاسخ در اعماق زمین دست و پا زدن خواهند کرد.

داستان اصلی با مجوز از مجله Quanta، یک نشریه مستقل از بنیاد سیمونز که مأموریت آن افزایش درک عمومی از علم با پوشش پیشرفت‌ها و گرایش‌های تحقیقاتی در ریاضیات و علوم فیزیکی و زیستی است، تجدید چاپ شده است.