Antineutrini: la prima mappa globale sulla diffusione delle particelle di antimateria

Uno sguardo all’interno della Terra ha rivelato i nascondigli delle particelle invisibili di antimateria che sono quasi senza massa, che ha portato alla conseguente mappa globale dei cosiddetti antineutrini del pianeta. Gli antineutrini sono la versione dell’antimateria dei neutrini, particelle così leggere e inconsistenti che raramente interagiscono con la materia. Essi possono attraversare un anno luce di piombo solido e hanno ancora una possibilità 50-50 di risultare come se non ci fossero.

Queste particelle subatomiche sono sfornate come sottoprodotti delle reazioni nucleari e del carburante delle stelle, come la morte violenta delle stelle massicce – chiamate supernove -,  i buchi neri e i reattori nucleari qui sulla Terra.

I ricercatori in un nuovo studio si sono concentrati su un fattore produttore di neutrini e antineutrini: il decadimento degli elementi radioattivi in profondità all’interno della Terra. Il calore del decadimento radioattivo, insieme con il calore rimasto dalla formazione del nostro pianeta, alimenta il movimento delle placche tettoniche del pianeta, un processo che può innescare terremoti ed eruzioni vulcaniche.

Le nuove mappe potrebbero aiutare i geologi a capire quanto materiale radioattivo c’è nel mantello a contatto con la crosta, e da quello, si spera che possano capire quanto velocemente la Terra si sta raffreddando.

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Vedere la materia invisibile

Gli antineutrini nel nuovo studio pubblicato su Scientific Reports provengono dal decadimento radioattivo di uranio e torio. Quando un nucleo di uranio o torio si divide con il decadimento radioattivo, rilascia un antineutrino. Gli antineutrini hanno una gamma specifica di energie. Di tanto in tanto, ci si unisce in un protone, il nucleo di un atomo di idrogeno. Quando questo accade, il protone si trasforma in un positrone (un elettrone con carica positiva) e un neutrone. Il neutrone, nel frattempo, si scontra con un altro atomo di idrogeno e diventa deuterio – essenzialmente, una forma più pesante di idrogeno.

Queste collisioni neutrone-atomo di idrogeno creano un doppio lampo di luce, hanno detto i ricercatori. Questi ultimi sono difficili da vedere, però, perché accadono così raramente, dato che antineutrini e neutrini non interagiscono con la materia spesso. Per catturare queste collisioni fugaci sono necessari rilevatori con un sacco di protoni per colpire i neutrini.

Uno dei rivelatori sotterranei utilizzati nello studio, lo scintillatore antineutrino Detector Kamioka Liquid (KamLAND) in Giappone, ad esempio, utilizza 1000 tonnellate di liquido (una miscela di benzene e olio minerale, insieme ad alcune sostanze chimiche fluorescenti) per raggiungere i pochi antineutrini che effettivamente hanno colpito qualcosa.

L’altro è altrettanto impressionante: il rivelatore Borexino, che si trova a circa un miglio (1,5 km) sotto gli Appennini in Italia, e contiene 300 tonnellate di liquido organico per interagire con gli antineutrini, e più di 2.200 sensori per rilevare i loro conseguenti lampi. L’intero rivelatore, che fa parte del Laboratorio Nazionale del Gran Sasso, è ospitato all’interno di una sfera enorme circondata da acqua. I ricercatori hanno utilizzato i dati di entrambi i rivelatori a zero sugli antineutrini prodotti naturalmente nel profondo della Terra.

Il calore mancante

William McDonough, co-autore del nuovo studio e professore di geologia presso l’Università del Maryland, ha detto che lo studio sugli antineutrini in profondità all’interno del pianeta può aiutare gli scienziati a definire con precisione i modelli del mantello della Terra. “Dal tempo di ììel matematico e fisico William Thomson c’è stato un dibattito sul bilancio di calore della Terra”, ha detto McDonough.

Le stime attuali su quanto la Terra si sia raffreddata in ogni miliardo di anni da quando il pianeta si è formato può variare del 50 per cento. Questi calcoli sono complicati perché devono tener conto degli effetti isolanti della crosta terrestre, e fare ipotesi circa le concentrazioni di elementi radioattivi nel mantello, ha aggiunto McDonough.

Ecco dove la nuova mappa degli antineutrini può tornare utile. Tali mappe potrebbero offrire spunti su quanto uranio e torio sono con il tempo finiti nella crosta e quanto sono finito nel mantello della Terra.

Che cosa c’è dentro il mantello

Quando le mappe sugli antineutrini diventeranno più diffuse e più precise, dovrebbe essere possibile raccogliere i valori di massa dell’ uranio e del torio nel mantello terrestre. Ad esempio, gli scienziati sanno circa quanto uranio c’è nella crosta terrestre, perché il materiale può essere estratto dal terreno per alimentare le centrali nucleari. Ma, le stime sull’abbondanza di uranio e torio nel mantello variano notevolmente. Una stima conservativa è di circa 10 parti per miliardo di uranio, ha detto McDonough .

“Ciò significherebbe circa il 70 per cento dell’uranio è nella crosta terrestre”, ha detto. Con 30 parti per miliardo, tre quarti di uranio della Terra è nel mantello.

Lo studio di questi elementi naturali ha anche implicazioni per la comprensione di come si formano i pianeti, ha aggiunto McDonough. Ma a parte il fatto di rivelare la struttura della Terra, queste mappe possono aiutare a trovare reattori nucleari illeciti in tutto il mondo. Un progetto in Ohio è stato sviluppato per utilizzare il rilevamento di antineutrini specificamente per questo scopo, e gli esperimenti dimostrano come è possibile sottrarre il rumore di fondo in forma di elementi naturali radioattivi sulla Terra e da fonti cosmiche. In realtà, i futuri aggiornamenti su questa mappa globale degli antineutrini mostrerà dove ci sono reattori nucleari esistenti o dismetti (o se ne vengono avviati di nuovi), hanno chiarito i ricercatori.

Una mappa più completa avrebbe raccontato una storia più piena, ma questo avrebbe anche significato la costruzione di più rivelatori. “Una delle idee più fantasiose che stiamo cercando di vendere è quello di costruire un rivelatore di neutrini e rilasciarlo sul fondo dell’Oceano Pacifico”, ha detto McDonough. “Si otterrebbe un segnale veramente preciso da quel punto lì.”

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