Potrebbe non essere ovvio mentre si è sdraiati al sole in una calda giornata estiva, ma una notevole quantità di calore proviene anche da sotto di te, proveniente dalle profondità della Terra. Questo calore equivale a più di tre volte il consumo energetico totale del mondo intero e guida importanti processi geologici, come il movimento delle placche tettoniche e il flusso di magma vicino alla superficie della Terra. Ma nonostante questo, da dove provenga esattamente la metà di questo calore è un mistero.

Si pensa che un tipo di neutrini – particelle con massa estremamente bassa – emessi da processi radioattivi all'interno della Terra possano fornire importanti indizi per risolvere questo mistero. Il problema è che sono quasi impossibili da catturare. Ma in un nuovo documento, pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura , abbiamo stabilito un modo per farlo.

Le fonti di calore conosciute dall'interno della Terra sono decadimenti radioattivi, e calore residuo da quando il nostro pianeta si è formato per la prima volta. La quantità di calore da radioattività, stimata sulla base di misurazioni della composizione dei campioni di roccia, è altamente incerto - rappresentando ovunque dal 25-90% del flusso di calore totale.

Particelle sfuggenti

Gli atomi nei materiali radioattivi hanno nuclei instabili, il che significa che possono dividersi (decadono in uno stato stabile) emettendo radiazioni nucleari, alcune delle quali vengono convertite in calore. Questa radiazione è costituita da varie particelle con energie specifiche – a seconda di quale materiale le ha emesse – compresi i neutrini. Quando gli elementi radioattivi decadono all'interno della crosta terrestre e del mantello, emettono "geo-neutrini". Infatti, ogni secondo, la Terra irradia nello spazio più di un trilione di trilioni di tali particelle. Misurare la loro energia può dire ai ricercatori quale materiale li ha prodotti e quindi la composizione dell'interno nascosto della Terra.

Le principali fonti di radioattività conosciute all'interno della Terra sono i tipi instabili di uranio, torio e potassio – qualcosa che sappiamo sulla base di campioni di roccia fino a 200 km sotto la superficie. Ciò che si nasconde sotto quella profondità è incerto. Sappiamo che i geoneutrini emessi durante il decadimento dell'uranio hanno più energia di quelli emessi quando il potassio si scinde. Quindi, misurando l'energia dei geo-neutrini, possiamo sapere da che tipo di materiale radioattivo provengono. Infatti, questo è un modo molto più semplice per capire cosa c'è dentro la Terra che perforare decine di chilometri sotto la superficie.

Sfortunatamente, i geo-neutrini sono notoriamente difficili da rilevare. Piuttosto che interagire con la materia ordinaria come quella all'interno dei rivelatori, tendono a sfrecciare attraverso di loro. Ecco perché ci è voluto un enorme rivelatore sotterraneo pieno di circa 1, 000 tonnellate di liquido per effettuare la prima osservazione di geoneutrini, nel 2003. Questi rivelatori misurano i neutrini registrando la loro collisione con gli atomi nel liquido.

Da allora, solo un altro esperimento è riuscito ad osservare i geo-neutrini, utilizzando una tecnologia simile. Entrambe le misurazioni implicano che circa la metà del calore terrestre causato dalla radioattività (20 terawatt) può essere spiegato dai decadimenti dell'uranio e del torio. La fonte del restante 50% è una questione aperta.

Però, le misurazioni finora non sono state in grado di misurare il contributo dei decadimenti del potassio:i neutrini emessi in questo processo hanno un'energia troppo bassa. Quindi potrebbe essere che il resto del calore provenga dal decadimento del potassio.

Nuova tecnologia

La nostra nuova ricerca suggerisce che possiamo fare una mappa del flusso di calore dall'interno della Terra misurando la direzione da cui proviene il geo-neutrino, così come la sua energia. Sembra semplice, ma la sfida tecnologica è formidabile, richiedono una nuova tecnologia di rilevamento delle particelle.

Proponiamo l'utilizzo di "rivelatori a camera a proiezione temporale" riempiti di gas. Tali rivelatori funzionano creando un'immagine 3D di un geo-neutrino che entra in collisione con il gas al suo interno, staccando un elettrone da un atomo di gas. Il movimento di questo elettrone può quindi essere seguito nel tempo per ricostruire una dimensione del processo (tempo). La tecnologia di imaging ad alta risoluzione può quindi ricostruire le due dimensioni spaziali del suo movimento. Nei rivelatori di liquidi attualmente utilizzati, le particelle che si staccano nelle collisioni percorrono una distanza così breve (perché sono in un liquido) che la direzione è impossibile da risolvere.

rivelatori simili, su scala minore, sono attualmente utilizzati per effettuare misurazioni di precisione delle interazioni dei neutrini, e alla ricerca della materia oscura. Abbiamo calcolato che la dimensione del rivelatore necessaria per scoprire i geoneutrini dal potassio radioattivo sarebbe di 20 tonnellate. Per mappare correttamente la composizione del mantello per la prima volta, dovrebbe essere 10 volte più massiccio. Abbiamo costruito un prototipo per un tale rivelatore, e stanno lavorando per aumentare le dimensioni.

Misurare i geoneutrini in questo modo potrebbe aiutare a mappare il flusso di calore all'interno della Terra. Questo ci aiuterebbe a comprendere l'evoluzione del nucleo interno valutando la concentrazione di elementi radioattivi. Potrebbe anche aiutare a svelare il mistero di lunga data di quale fonte di calore alimenta la convezione (trasferimento di calore mediante movimento di fluidi) nel nucleo esterno che genera il campo geomagnetico terrestre. Questo campo è vitale per trattenere la nostra atmosfera che protegge la vita sulla Terra dalle radiazioni nocive del sole.

È strano che sappiamo così poco di cosa sta succedendo sotto terra su cui camminiamo. Ciò rende eccitante pensare a come queste misurazioni potrebbero finalmente consentire l'esplorazione pionieristica dei velati meccanismi interni della Terra.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.