Neutrini dal cuore della Terra

L’esperimento BOREXINO al Gran Sasso ha appena presentato i primi risultati sui “geo-neutrini”,  antineutrini prodotti  dalle catene di decadimento spontaneo dei nuclei radioattivi contenuti all’interno della Terra. Per la prima volta si ha la prova dell’esistenza di tale radiazione, con una significatività di oltre 3 sigma (una misura usata in fisica per valutare il possibile errore), e si aprono le porte per un nuovo approccio allo studio del pianeta. 

Le sorgenti di Energia all’interno della Terra

La Terra contiene al suo interno enormi sorgenti di energia, talora rilasciata in spettacolari eruzioni vulcaniche, ma continuamente emessa sotto forma di calore irraggiato nello spazio in aggiunta a quello proveniente dal Sole. Complessivamente, la potenza emessa dalla Terra è di circa 40 TW: ovvero di 40 terawatt (un terawatt è pari a mille miliardi di watt), una potenza equivalente a quella di 10.000 centrali nucleari.

Le origini di questa energia sono incerte, anche se si ritiene che una importante frazione sia dovuta al calore emesso dalle disintegrazioni spontanee dei nuclei di Uranio, Torio e Potassio-40 contenuti all’interno del pianeta. 

Quale sia l’effettivo contributo radiogenico - ovvero di queste disintegrazioni spontanee radioattive - al calore terrestre è materia di dibattito nella comunità delle Scienze della Terra. L’ipotesi più condivisa è che la radioattività naturale renda conto della metà del calore terrestre, ma esistono modelli alternativi secondo cui sarebbe all’origine del 100% di questa emanazione.

All’origine di tale incertezza sta l’impossibilità di determinare sulla base di dati osservativi il contenuto di elementi radioattivi all’interno della Terra; le abbondanze degli elementi nel pianeta sono stimate in maniera assai indiretta, estrapolando all’interno della Terra quel che si sa sulla  composizione chimica di meteoriti supposti rappresentativi della composizione iniziale del sistema solare, e tenendo conto di complessi fenomeni di evaporazione e separazione degli elementi durante la  formazione del pianeta.

I geo-neutrini: un nuovo metodo di indagine dell’interno terrestre

I geo-neutrini, come si chiamano gli antineutrini prodotti nelle catene di decadimento di Uranio, Torio e Potassio-40 all’interno della Terra, portano alla superficie del pianeta informazioni dirette sul contenuto degli elementi radioattivi contenuti nelle viscere del pianeta.

La loro rivelazione rappresenta un modo di determinare le abbondanze planetarie degli elementi da cui provengono, e dunque dà informazioni sul calore prodotto dalla radioattività all’interno del pianeta e sulla sua origine.

L’esistenza dei geo-neutrini fu predetta negli anni '60 del secolo scorso da Marx ed Eder, ma solo in anni recenti il progresso nella rivelazione dei neutrini ha permesso di ipotizzarne uno studio sperimentale. Il collegamento fra le predizioni teoriche dei modelli geologici e i possibili risultati sperimentali è stato oggetto di numerosi studi, sia in italia (gruppo di Fiorentini), sia in Giappone (Enomoto et al.).

I primi tentativi di rivelazione dei geo-neutrini

Già nel 2002 KamLAND - un rivelatore di neutrini localizzato nella miniera di Kamioka in Giappone - sostenne di aver rivelato  la radiazione dei geo-neutrini, ma  gli studi successivi dimostrarono che si trattava di un abbaglio: ciò che veniva osservato era in realtà dovuto  alla presenza di un insidioso fondo di neutroni veloci, che dava origine a  “falsi geo-neutrini”.

Nel 2005 ancora KamLAND ha fornito le prime indicazioni dell’esistenza dei geo-neutrini (a livello di poco più di 2 sigma). Il problema principale, in KamLAND era la distinzione fra il contributo dei geo-neutrini e quello degli antineutrini provenienti dai numerosi reattori nucleari presenti in Giappone. Per ogni evento di geo-neutrino, a KamLAND si hanno una decina di eventi di neutrini da reattore, per cui la separazione fra segnale e fondo risulta problematica.

I risultati di Borexino

Rispetto a KamLAND, Borexino ha due enormi vantaggi:

• in un raggio di 700 km dal Gran Sasso non esistono centrali nucleari in grado di emanare  antineutrini, che oscurino il genuino segnale dei neutrini provenienti dalla terra; il rapporto tra segnale e il fondo è atteso essere dell’ordine di 1 a 1, contro 1 a 10 per KamLAND.
• il liquido scintillatore usato come bersaglio è estremamente più puro di quello usato da KamLAND, con livelli di  contaminazione in Uranio e altri elementi radioattivi migliaia di volte inferiori; questo riduce considerevolmente il fondo di “falsi geo-neutrini” che era all’origine dello “sbaglio” di KamLAND e che ancora adesso disturba il segnale nel rivelatore giapponese.

Borexino ha ottenuto una reale evidenza dell’esistenza dei geo-neutrini con un livello di confidenza del 99.997%, corrispondente a 4 sigma.

I risultati sperimentali evidenziano chiaramente, nella zona di più bassa energia - là dove il contributo dei reattori è trascurabile – un eccesso di segnale, che è interpretato come il contributo dei geo-neutrini. Il confronto con i modelli teorici di Fiorentini et al. è ottimo, nei limiti della statistica raccolta.

Per rendersi conto della difficoltà dell’esperimento, una presa dati di oltre due anni fornisce due dozzine di eventi attribuiti a geo-neutrini e ai reattori, dunque un evento al mese in totale e un evento di geo-neutrino ogni due mesi!

Questo è solo l’inizio. Dopo aver ottenuto la prova che l’ipotesi dei geo-neutrini è corretta, il lavoro di Borexino prosegue. Con la statistica che potrà essere accumulata negli anni a venire i risultati dovrebbero permettere di discriminare fra vari modelli geologici sulla composizione terrestre, aprendo una nuova finestra per lo studio dell’interno della Terra.