Det kanske inte är uppenbart när du ligger i solen en varm sommardag, men en betydande mängd värme kommer också underifrån dig - som kommer från djupt inne i jorden. Denna värme motsvarar mer än tre gånger den totala energiförbrukningen i hela världen och driver viktiga geologiska processer, såsom rörelsen av tektoniska plattor och flödet av magma nära jordens yta. Men trots detta, var exakt upp till hälften av denna värme faktiskt kommer ifrån är ett mysterium.

Man tror att en typ av neutrinoer - partiklar med extremt låg massa - som avges av radioaktiva processer i jordens inre kan ge viktiga ledtrådar för att lösa detta mysterium. Problemet är att de är nästan omöjliga att fånga. Men i ett nytt papper, publicerad i tidningen Naturkommunikation , vi har lagt fram ett sätt att göra just det.

De kända värmekällorna från jordens inre är radioaktiva sönderfall, och restvärme från när vår planet först bildades. Mängden uppvärmning från radioaktivitet, uppskattat baserat på mätningar av bergprovens sammansättning, är mycket osäker-står för allt från 25-90% av det totala värmeflödet.

Undvikande partiklar

Atomer i radioaktiva material har instabila kärnor, vilket betyder att de kan dela upp sig (förfalla till ett stabilt tillstånd) genom att avge kärnstrålning - varav några omvandlas till värme. Denna strålning består av olika partiklar med specifika energier - beroende på vilket material som avger dem - inklusive neutrinoer. När de radioaktiva elementen förfaller inom jordskorpan och manteln, de avger "geo-neutrinos". Faktiskt, varje sekund, jorden utstrålar mer än en biljon biljon sådana partiklar till rymden. Att mäta deras energi kan berätta för forskare om vilket material som producerade dem och därför sammansättningen av jordens dolda inre.

De främsta kända källorna till radioaktivitet inom jorden är instabila typer av uran, thorium och kalium - något vi vet baserat på prover av sten upp till 200 km under ytan. Vad som lurar under det djupet är osäkert. Vi vet att geo-neutrinos som släpps ut när uran sönderfaller har mer energi än de som släpps ut när kalium splittras. Så genom att mäta energin hos geo-neutrinoer, vi kan veta vilken typ av radioaktivt material de kommer från. Faktiskt, detta är ett mycket enklare sätt att räkna ut vad som finns inne i jorden än att borra tiotals kilometer ner under ytan.

Tyvärr, geo-neutriner är notoriskt svåra att upptäcka. I stället för att interagera med vanligt material som det inuti detektorer, de tenderar att bara susa rakt igenom dem. Därför tog det en enorm underjordisk detektor fylld med cirka 1, 000 ton vätska för att göra den första observationen av geo-neutriner, 2003. Dessa detektorer mäter neutrinoer genom att registrera deras kollision med atomer i vätskan.

Sedan dess, bara ett annat experiment har lyckats observera geo-neutriner, använder en liknande teknik. Båda mätningarna innebär att ungefär hälften av jordens värme orsakad av radioaktivitet (20 terawatts) kan förklaras av sönderfall av uran och torium. Källan till de återstående 50% är en öppen fråga.

Dock, mätningar hittills har inte kunnat mäta bidraget från kaliumförfall - neutrinoerna som släpps ut i denna process har för låg energi. Så det kan vara så att resten av värmen kommer från kaliumförfall.

Ny teknologi

Vår nya forskning tyder på att vi kan göra en karta över värmeflödet inifrån jorden genom att mäta den riktning som geo-neutrino kommer från, liksom dess energi. Det låter enkelt, men den tekniska utmaningen är formidabel, som kräver ny teknik för partikeldetektering.

Vi föreslår att man använder gasfyllda "tidsprojektionskammardetektorer". Sådana detektorer fungerar genom att göra en 3D-bild av en geo-neutrino som kolliderar med gasen inuti den-slår av en elektron från en gasatom. Rörelsen av denna elektron kan sedan spåras över tid för att rekonstruera en dimension av processen (tiden). Högupplöst bildteknik kan sedan rekonstruera de två rumsliga dimensionerna av dess rörelse. I de flytande detektorer som för närvarande används, partiklarna som slås av vid kollisioner färdas så kort sträcka (eftersom de är i en vätska) att riktningen är omöjlig att lösa.

Liknande detektorer, i mindre skala, används för närvarande för att göra precisionsmätningar av neutrino -interaktioner, och att söka efter mörk materia. Vi beräknade att storleken på detektorn som behövs för att upptäcka geo-neutrinoerna från radioaktivt kalium skulle vara 20 ton. För att korrekt kartlägga mantelsammansättningen för första gången, det skulle behöva vara 10 gånger mer massivt. Vi har byggt en prototyp för en sådan detektor, och arbetar med att skala upp.

Att mäta geo-neutrinos på detta sätt kan hjälpa till att kartlägga värmeflödet i jordens inre. Detta skulle hjälpa oss att förstå utvecklingen av den inre kärnan genom att bedöma koncentrationen av radioaktiva element. Det kan också hjälpa till att avslöja det långvariga mysteriet om vilken värmekälla som driver konvektionen (överföring av värme genom rörelse av vätskor) i den yttre kärnan som genererar jordens geomagnetiska fält. Detta fält är avgörande för att behålla vår atmosfär som skyddar livet på jorden från solens skadliga strålning.

Det är konstigt att vi vet så lite om vad som händer under marken som vi går på. Det gör det spännande att tänka på hur dessa mätningar äntligen skulle kunna tillåta banbrytande utforskning av jordens inslag.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.