Spookdeeltjes van de koude grond

Geofysici weten niet goed raad met de warmteproductie in het binnenste van de aarde. De speurtocht naar anti-neutrino's moet daar verandering in brengen.

WETENSCHAPPERS kunnen precies uitrekenen hoeveel warmte een ster als de zon produceert, maar hoeveel warmte er in het inwendige van de aarde wordt opgewekt weten ze lang zo nauwkeurig niet. Dit komt doordat de zon vrijwel geheel uit één gas – waterstof – bestaat dat op een nauwkeurig bekende manier via kernfusie wordt omgezet in helium, terwijl de samenstelling van het inwendige van de aarde niet precies bekend is. De komende jaren hopen geofysici dit terra incognita via een geheel nieuwe techniek alsnog te verkennen: via geoneutrino's, boodschappers uit het inwendige van onze planeet.

De aarde zendt constant de energie terug naar de ruimte die hij van de zon ontvangt. Het gaat om een warmtestroom van ongeveer 1400 watt per vierkante meter. Hij voegt daar echter aan kleine warmtestroom aan toe die hij zelf produceert: 0,065 W/m². Deze warmte bestaat uit opgeslagen gravitatie-energie (zwaarte-energie), restwarmte uit de tijd dat de aarde ontstond en warmte die het gevolg is van het verval van radioactieve isotopen. Geofysici willen graag weten hoe groot deze laatste, radiogene bijdrage is, omdat die een belangrijke rol speelt in de modellen waarmee de structuur en dynamica van onze planeet worden beschreven. Ook het ontstaan van de aardkern en verschijnselen als aardmagnetisme, vulkanisme en aardbevingen hangen er mee samen.

isotopen

De vraag welke isotopen de radiogene warmte produceren is snel beantwoord. De belangrijkste zijn uranium-238 (vervalt tot lood-206), thorium-232 (vervalt tot lood-208) en kalium-40 (vervalt tot calcium-40). Om te weten te komen hoeveel warmte hierbij wordt geproduceerd, moet men de concentraties van deze radiogene elementen in de verschillende lagen van de aarde kennen. Het probleem is echter dat deze hoeveelheden vrij onzeker zijn, daar alleen de korst en de bovenmantel tot op zekere diepte voor geochemisch onderzoek toegankelijk zijn. De hierin gemeten waarden moeten worden geëxtrapoleerd naar de onverkende binnenmantel, wat vrij grote onzekerheden oplevert.

Hoewel de meeste geofysische modellen suggereren dat de concentraties radioactieve isotopen op diepten groter dan ongeveer 20 kilometer snel afnemen,zouden zelfs kleine concentraties op grote diepten nog een grote invloed op de warmteproductie kunnen hebben. Het gaat daar immers om een volume dat ruwweg 300 maal zo groot is als dat van lithosfeer! Tot de lithosfeer wordt de aardkorst gerekend, plus een stukje van de aardmantel. Sommige geofysici hebben uit de samenstelling van meteorieten afgeleid dat zich in de mantel van de aarde misschien wel tienmaal zoveel kalium-40 bevindt als in de korst. Enkelen gaan nog een stap verder en menen dat deze isotoop `een substantiële bron van warmte in de kern van de aarde en Mars zou kunnen zijn' (Nature, 8 mei 2003).

De warmteproductie in de aarde is niet alleen moeilijk te berekenen, maar ook moeilijk aan het oppervlak te meten. Het gaat om een zeer geringe flux, die van plaats tot plaats sterk kan verschillen, terwijl grote delen van het aardoppervlak (zoals diepzeebodems) voor zulke metingen zelfs geheel onbereikbaar zijn. Schattingen van de totale warmteflux die de aarde verlaat liggen tussen de 30 en 45 terawatt: het equivalent van ruwweg 10.000 kerncentrales, terwijl schattingen van de radiogene bijdrage uiteenlopen van 20 tot 30 TW.

antineutrino's

Al in de jaren zestig wezen Russische onderzoekers er op dat vervalprocessen in de aarde ook antineutrino's produceren en dat deze deeltjes tezamen met de warmte in een constante stroom de aarde verlaten. Deze deeltjes zouden dus gebruikt kunnen worden om het inwendige van de aarde te bestuderen. De Amerikaanse fysici Lawrence Krauss, Sheldon Glashow en David Schramm wezen er in 1984 in hun beroemde overzichtsartikel in Nature op dat antineutrino's dezelfde soort informatie over het inwendige van de aarde zouden kunnen opleveren als hun tegenhangers – gewone neutrino's – dat deden over het inwendige van de zon.

Antineutrino's hebben echter (evenals gewone neutrino's) de eigenschap dat ze overal dwars doorheen vliegen en zich dus heel moeilijk laten detecteren. Ze worden alleen tegengehouden als ze tegen de kern van een atoom botsen. Neutrino's van de zon worden al sinds vele jaren gedetecteerd met behulp van reusachtige vaten gevuld met een speciale scintillatorvloeistof, waarin een neutrino tijdens zo'n botsing een lichtflitsje (Cerenkovstraling) produceert. Dat wordt dan waargenomen door de detectors (fotomultipliers) die zich langs de binnenwand van het vat bevinden. Zo kan men ook antineutrino's detecteren.

In de jaren tachtig was het echter nog te vroeg om aldus ook het inwendige van de aarde te gaan bestuderen. Men zat namelijk met het raadsel dat de zon minder neutrino's leek te produceren dan de theorie voorspelde, iets wat dan ook voor de productie van antineutrino's in de aarde zou kunnen gelden. Pas in 2001 kon op het Sudbury Neutrino Observatory in Canada ondubbelzinnig worden aangetoond dat sommige zonne-neutrino's tijdens hun weg naar de aarde van gedaante veranderen en daardoor lijken te `verdwijnen'. Vorig jaar werden deze neutrino-oscillaties bevestigd met behulp van antineutrino's die vanuit een kernreactor op het KEK-laboratorium bij Tokio naar de 250 kilometer verderop liggende Super-Kamiokandedetector werden gezonden.

kerncentrales

Nu het gedrag van neutrino's en antineutrino's beter bekend wordt, worden op verscheidene neutrinolaboratoria projecten ontwikkeld voor het detecteren van antineutrino's die samenhangen met de warmteproductie in de aarde. Het aardige van deze deeltjes is dat ze niet tijdens de kernfusieprocessen in de zon ontstaan en dat onze buurster de detectie van antineutrino's uit de aarde dus niet verstoort. Dat doen echter wel de reactoren van de vele kerncentrales die zich op onze planeet bevinden. Daarom wordt ook gedacht aan de verplaatsing van bestaande detectoren (zoals die van het Sudbury Neutrino Observatory in Canada) en de bouw van nieuwe (zoals LENA, in een 1.450 meter diepe mijnschacht in Finland). Onderzoekers van het Baksan Neutrino Observatory, in het noorden van de Kaukasus, laten intussen geen kans onbenut om er op te wijzen dat hun locatie in dit opzicht tot de `schoonste' ter wereld behoort (Physics of Atomic Nuclei, januari 2005). Overigens kunnen antineutrino's uit kerncentrales in theorie dwars door de aardbol heen in een detector terechtkomen.

Inmiddels zijn de eerste geoneutrino's ook al gesignaleerd. De Kamioka Liquid Scintillator Anti-Neutrino Detector (KamLAND), die bij Toyama in Japan ligt, detecteerde tijdens de eerste zes maanden 32 antineutrino's. Hiervan zouden er 20 van kernreactoren zijn gekomen en waren er 3 valse detecties. De overige negen zouden de eerste aanwijzingen van geoneutrino's zijn geweest (Physical Review Letters, 17 januari 2003). Naar de resultaten van andere detectoren wordt nu met spanning uitgekeken. Gemiddeld zou een detector zo'n 20 tot 60 geoneutrino's per duizend ton detectormateriaal per jaar kunnen verschalken.