ژئونوترینوها (Geoneutrinos) که به عنوان پادنوترینوهای الکترونی حاصل از واسپاشی رادیواکتیو در لایه‌های درونی زمین شناخته می‌شوند، کلید رمزگشایی از ساختار حرارتی و شیمیایی گوشته زمین هستند. آخرین داده‌های منتشرشده از آزمایشگاه فیزیک ذرات SNO+ واقع در عمق ۲ کیلومتری معدن کرایتون در کانادا، نشان می‌دهد که ثبت این ذرات شبح‌گون در نیمکره غربی وارد فاز جدیدی شده است؛ رویدادی که می‌تواند فرضیات پیشین درباره یکنواخت بودن گوشته زمین را به چالش بکشد.
معماری آشکارساز SNO+؛ شکافتن تاریکی برای شکار ذرات شبح‌گون
آزمایشگاه فیزیک Snolab در سادبری کانادا، میزبان آشکارساز SNO+ است که در عمق ۲ هزار متری زیر زمین جای گرفته تا لایه عظیمی از سنگ، آن را از تابش‌های کیهانی محافظت کند. قلب این آشکارساز شامل یک کره آکریلیکی بزرگ حاوی ۷۸۰ تن مایع سوسوزن (Scintillator) روغنی است که توسط مخزنی با حدود ۷,۰۰۰ تن آب فوق‌خالص احاطه شده است. نزدیک به ۱۰,۰۰۰ حسگر نوری بسیار حساس (PMT) در اطراف این کره نصب شده‌اند تا کوچک‌ترین درخشش‌های ناشی از برهم‌کنش ذرات کم‌انرژی را ثبت کنند.
نوترینوها فراوان‌ترین ذرات دارای جرم در جهان هستند، اما جرم آن‌ها کمتر از یک‌میلیونیم جرم یک الکترون است و به دلیل بار الکتریکی خنثی، به ندرت با ماده معمولی برهم‌کنش دارند. میلیاردها نوترینو در هر ثانیه از بدن انسان عبور می‌کنند بدون آنکه اثری باقی بگذارند. با این حال، هنگامی که یک ژئونوترینو با پروتون‌های درون مایع سوسوزن برخورد می‌کند، طی فرایندی موسوم به واسپاشی بتا معکوس (Inverse Beta Decay)، سیگنالی دوگانه و مشخص ایجاد می‌کند که توسط آشکارساز ثبت می‌شود.
مشخصات فنی و مقایسه‌ای آشکارسازهای برجسته ژئونوترینو
- آشکارساز SNO+ (کانادا): ۷۸۰ تن مایع سوسوزن، لایه محافظ ۲ کیلومتر سنگ، گزارش اولین ثبت در نیمکره غربی (آبان ۱۴۰۴) با افزودن حدود ۵۰ داده جدید.
- آشکارساز KamLAND (ژاپن): اولین آشکارساز ثبت‌کننده ژئونوترینو در سال ۱۳۸۴ (۲۰۰۵ میلادی) با ثبت شار بسیار پایین از گوشته.
- آشکارساز Borexino (ایتالیا): واقع در آزمایشگاه گرن ساسو، ثبت شار بالای ژئونوترینو از گوشته تا پیش از توقف فعالیت.
- آشکارساز JUNO (چین): ظرفیت ۲۰ kiloton (۲۰,۰۰۰ تن) مایع سوسوزن، آغاز به‌کار در مرداد ۱۴۰۴ (اوت ۲۰۲۵) با توان ثبت داده برابر با چند دهه فعالیت ابزارهای قبلی تنها در سال اول.
ناهمگونی گوشته زمین؛ آیا نیمکره غربی رادیواکتیوتر است؟
حرارت درونی زمین از دو منبع اصلی تامین می‌شود: گرمای باقیمانده از زمان شکل‌گیری سیاره و گرمای حاصل از واسپاشی رادیواکتیو عناصری همچون اورانیوم، توریم و پتاسیم در پوسته و گوشته. اندازه‌گیری دقیق ژئونوترینوها به فیزیکدانان اجازه می‌دهد سهم این عناصر رادیواکتیو را در تولید انرژی زمین محاسبه کنند.
ژئوشیمی‌دانان به طور سنتی فرض می‌کردند که جریان‌های همرفتی سنگ‌های مذاب در گوشته، عناصر رادیواکتیو را به صورت یکنواخت توزیع کرده‌اند. اما مقایسه داده‌های آزمایشگاه‌های مختلف، تصویر متفاوتی را نشان می‌دهد. میزان شار ژئونوترینوهای گوشته در Borexino (ایتالیا) بسیار بالا و در KamLAND (ژاپن) بسیار پایین گزارش شده است. داده‌های جدید SNO+ در کانادا مقداری بینابینی را نشان می‌دهند. دکتر مارک چن (Mark Chen)، مدیر همکاری علمی SNO+ و استاد دانشگاه کوئینز، اشاره می‌کند که این تفاوت‌ها می‌تواند نخستین نشانه از ناهمگن بودن ترکیب شیمیایی گوشته زمین باشد.
یکی از فرضیات مطرح‌شده، ارتباط این شارها با ساختارهای عمیق موسوم به «استانی‌های بزرگ با سرعت برشی پایین» (LLSVPs) است. این توده‌های قاره‌ای‌شکل و بسیار داغ در مرز هسته و گوشته، یکی زیر قاره آفریقا و دیگری زیر اقیانوس آرام قرار دارند و ممکن است غلظت بالاتری از عناصر سنگین رادیواکتیو را در خود جای داده باشند.
چالش‌های نویززدایی و عدم قطعیت در مدل‌های زمین‌شناسی
تحلیل سیگنال‌های ژئونوترینو فرآیندی بسیار پیچیده است، زیرا این ذرات شناسه اختصاصی ندارند. پژوهشگرانی نظیر رایان بیز (Ryan Bayes) باید سیگنال‌های ناشی از راکتورهای هسته‌ای تجاری، ذرات دارای انرژی بسیار بالا و ژئونوترینوهای برخاسته از پوسته محلی (در شعاع چندصد کیلومتری آشکارساز) را تفکیک و کسر کنند تا سیگنال خالص گوشته به دست آید.
در مورد SNO+، وجود ساختار زمین‌شناسی حوزه سادبری (حاصل از برخورد یک شهاب‌سنگ عظیم در ۱.۸ میلیارد سال پیش) عدم قطعیت‌های نوینی در مدل‌سازی پوسته محلی ایجاد کرده است. به گفته ویرجینیا استراتی (Virginia Strati) از دانشگاه فرارا، نوسانات کوچک در تخمین عناصر پوسته می‌تواند سیگنال ضعیف گوشته را بپوشاند.
چشم‌انداز آینده: از پروژه غول‌پیکر JUNO تا رصدخانه‌های اعماق اقیانوس
با ورود آشکارساز ۲۰ kiloton پروژه JUNO در چین به چرخه عملیاتی در تابستان ۱۴۰۴، حجم داده‌های دریافتی به طور نمایی افزایش خواهد یافت. JUNO به دلیل مقیاس بزرگ خود قادر است حجم داده‌ای معادل چند دهه فعالیت مجموع آشکارسازهای قبلی را تنها در یک سال جمع‌آوری کند.
با این حال، به باور ویلیام مک‌دونا (William McDonough)، ژئوشیمی‌دان آکادمی علوم چین، نهایی‌ترین راهکار برای حذف عدم قطعیت پوسته قاره‌ای، ساخت آشکارسازهای ژئونوترینو در کف اقیانوس‌ها است. پوسته اقیانوسی بسیار نازک‌تر و نازک‌تر از پوسته قاره‌ای بوده و عناصر رادیواکتیو کمتری دارد؛ امری که سیگنال دریافت‌شده را کاملاً مستقیماً به گوشته زمین مرتبط می‌سازد. طرح ساخت این آشکارسازهای اعماق دریا با هزینه‌ای چندصد میلیون دلاری در دست بررسی است.
