Neutrinski eksperiment SNO+ krije se duboko u rudniku Creighton kanadskog Snolaba. Srce objekta, smještenog na dubini od 2 kilometra, jest akrilna kugla promjera 12 metara, okružena s gotovo 10 tisuća osjetljivih fotodetektora, koji bilježe bljeskove 780 tona tekućeg scintilatora u kugli kad njime prolaze visokoenergetske čestice. Voda koja okružuje sustav i stijena iznad njega štite detektor od kozmičkog zračenja, što omogućuje da se zabilježe i rjeđe interakcije čestica.
Eksperiment zahtijeva apsolutni mrak, i izvan spektra vidljive svjetlosti. Kad se netko spusti glavnim oknom i prođe kroz kameni tunel prema laboratoriju, na tijelo i odjeću taloži mu se mala količina radioaktivne radonske prašine, pa se prije ulaska u glavni laboratorijski prostor mora istuširati i presvući kako bi se unesena nečistoća svela na najmanju moguću mjeru.
Takve su ekstremne mjere potrebne da bi se uhvatile čestice duhovi, koje mogu pomoći otkriti tajne nedostupnih područja duboko u Zemlji.
Radioaktivni planet
Neutrini su najčešće čestice s masom, ali im je masa vrlo mala: samo milijunti dio mase elektrona. Zbog male mase i neutralnog elektromagnetskog naboja te čestice gotovo nikad ne stupaju u interakciju s drugom tvari. Svake sekunde bilijuni ih prolaze kroz naše tijelo, a ipak su istraživači tijekom proteklih godina pomoću SNO+-a i sličnih detektora uspjeli zabilježiti tek nekoliko stotina tisuća dragocjenih bljeskova koji odaju postojanje tih čestica. Većina su bili neutrini sa Sunca.
Još je teže detektirati geoneutrine, kojih je tijekom nekoliko desetljeća zabilježeno samo nekoliko stotina. Geoneutrini nastaju u procesima koji griju unutrašnjost planeta. Ta toplina ima značajnu ulogu u održavanju strujanja stijena u plaštu, koje oblikuje mnogo toga, od tektonike ploča do Zemljina magnetskog polja. Potječe iz dva glavna izvora: iz topline preostale od nastanka planeta te iz topline koja nastaje raspadom urana, torija i kalija u stijenama plašta i kore. Bez tog drugog izvora Zemlja bi se već odavno ohladila i bila bi tektonski mrtav planet.
Brojenjem geoneutrina fizičari mogu dobiti izravne informacije o životno važnim elementima Zemlje koji proizvode toplinu. „To je jedino što radimo s fokusom na Zemlju. Sve ostale naše aktivnosti usmjerene su na ono što nam dolazi iz drugih krajeva svemira” – rekao je Ryan Bayes, čestični astrofizičar sa Sveučilišta Queen’s, koji radi na projektu SNO+.
Prvo opažanje geoneutrina veže se uz japanski detektor Kamland, a o njemu se izvijestilo 2005. Godine 2009. talijanski detektor Borexino detektirao je još nekoliko desetaka geoneutrina. Istraživači SNO+-a u studenome 2025. objavili su prva uspješna opažanja, povećavši broj promatranih geoneutrina za otprilike 50.
Opažanja SNO+-a posebnima čini lokacija eksperimenta: to su prvi geoneutrini detektirani na zapadnoj hemisferi, pa daju novu perspektivu o radioaktivnoj unutrašnjosti Zemlje.
U tumačenju rezultata eksperimenata i dalje postoje znatne nesigurnosti, ali prema najboljim procjenama istraživača svaki detektor mjeri različit tok. „To bi mogao biti prvi znak da plašt nije ujednačen” – rekao je Mark Chen, čestični astrofizičar sa Sveučilišta Queen’s i ravnatelj suradnje SNO+. Geokemičari su tradicionalno pretpostavljali da su radioaktivni elementi ravnomjerno raspoređeni u plaštu, jer se u tekućoj stijeni sve miješa. Mjerenja geoneutrina na različitim lokacijama ipak sugeriraju da to nije tako.
Regije koje naizgled proizvode najviše geoneutrina nalaze se iznad otprilike kontinentalno velikih mrlja iznimno vruće i guste tvari, koje se nazivaju velike provincije niske posmične brzine (LLSVP) i koje su seizmolozi kartirali s obje strane jezgre. Jedna je ispod Afrike, a druga ispod Tihog oceana.
„Moguće je da u plaštu postoje duboke strukture koje još ne poznajemo, i moguće je da one koncentriraju određene elemente”
– kaže Chen.
Neutrini bi jednog dana mogli pružiti novi uvid u još uvijek tajanstveno podrijetlo tih dubokih struktura te, šire gledano, u obrasce u plaštu koji određuju mnoge aspekte sustava Zemlje. „To doista može biti važna metoda za izradu unutarnje, kemijske karte Zemlje” – rekao je William McDonough, geokemičar s Kineske akademije znanosti, koji već dugo ima vodeću ulogu u istraživanju geoneutrina.
Detekcija geoneutrina
Otvoreno je pitanje otkrivaju li mjerenja geoneutrina doista razlike između područja plašta ispod eksperimenata ili neravnoteža proizlazi iz toga što različiti eksperimenti na različite načine broje geoneutrine. Istraživači jednoglasno naglašavaju da je nesigurnost još uvijek toliko velika da je to nemoguće reći.
„Ako uzmemo privid kao osnovu, mogli bismo reći da je možda na zapadnoj hemisferi mnogo više radioaktivne tvari nego na istočnoj” – rekao je McDonough. No te procjene treba oprezno tumačiti iz mnogo razloga. „Jesu li u pravu Talijani? Ili Japanci? Ili svi? Ili nešto nije u redu?” – nastavlja stručnjak. Nesigurnosti oko rezultata pojedinih detektora proizlaze iz procesa filtriranja koji fizičari provode da bi identificirali geoneutrine – objasnio je Bayes. Čestice se naime nažalost ne predstavljaju pri detekciji, kaže stručnjak.
Istraživači moraju odfiltrirati signale čestica s preveliko energijom, signale čestica s netočnom vrijednošću spina te čestice za koje se pretpostavlja da potječu iz nuklearnih elektrana. Moraju odfiltrirati i geoneutrine koji dolaze iz Zemljine kore, od kojih većina potječe iz kruga od nekoliko stotina kilometara oko detektora. Kad se oni oduzmu od ukupnog broja, trebali bi ostati samo signali geoneutrina koji dolaze iz plašta.
Općenito se može reći da tok geoneutrina iz plašta kod Borexina izgleda vrlo visok, a kod Kamlanda vrlo nizak, iako su nesigurnosti velike. Detaljno geološko tumačenje rezultata SNO+-a još je u tijeku, kaže Chen, ali do sada stručnjaci ispod Kanade vide „prilično osrednji” plašt.
Poseban izazov za istraživače SNO+-a predstavlja razumijevanje neutrina koji dolaze iz okoline detektora, uključujući i bazen nastao golemim udarom prije 1,8 milijardi godina. „U tom geološkom području ima mnogo nepoznatih čimbenika” – rekla je Virginia Strati, istraživačica sa Sveučilišta u Ferrari u Italiji, koja je pomogla razviti lokalni model radioaktivnosti za Snolab.
Nesigurnost proizlazi i iz toga što ne znamo točno ukupnu količinu radioaktivnih tvari koje griju plašt. Prema toku geoneutrina, ti elementi mogu činiti samo mali postotak proizvodnje topline, ali i do polovicu – ta razlika odgovara snazi nekoliko desetaka tisuća nuklearnih elektrana.
Oba izvora nesigurnosti dodatno otežavaju dokazivanje razlika u kemijskom sastavu pojedinih dijelova plašta. Razlika u toku geoneutrina koja se očekuje od različitih raspodjela radioaktivnih elemenata vrlo je mala i skriva se u tim nesigurnostima, kaže Strati.
U previranju
Detekcija koju je proveo SNO+ stiže u uzbudljivom trenutku za istraživanje geoneutrina: JUNO, još jedan golemi neutrinski eksperiment, koji trenutačno prikuplja podatke u Kini, trebao bi još ove godine dati svoj prvi tok geoneutrina, čime bi se dobilo četvrto motrište i znatno bogatija slika za istraživanja.
Eksperiment s više od 20 tisuća tona scintilatora, postavljen ispod planine izvan grada Guangzhoua, toliko je golem da će već u prvoj godini vjerojatno detektirati više geoneutrina nego Kamland, Borexino i SNO+ zajedno tijekom proteklih desetljeća.
Preciznije procjene toka geoneutrina izmjerenog u pojedinim eksperimentima mogle bi proizaći iz detaljnijih geoloških podataka te dodatnog brojenja geoneutrina na pojedinim lokacijama. Prema McDonoughu, međutim, najbolje bi rješenje bilo postaviti neutrinski detektor na dno oceana. Takav bi objekt bio daleko od kontinentalnih stijena bogatih radioaktivnim elementima, a oceanska je kora osim toga tanja i ujednačenija. Nesigurnosti oko kore time bi se znatno smanjile.
Ideja detektora na dnu oceana, čiji se troškovi procjenjuju na nekoliko stotina milijuna dolara, do sada je naišla na slab odjek među državnim financijerima. McDonough se sada nada da će plan uspjeti ostvariti u Kini, budući da je ta zemlja već dala zeleno svjetlo i drugim velikim projektima iz znanosti o Zemlji.
