Phân hủy phóng xạ gây ra một nửa lượng nhiệt của Trái đất

Cấu trúc Trái đất

Ảnh: Berkeley Lab

Khoảng 50% lượng nhiệt do Trái đất giải phóng ra có nguồn gốc là sự phân hủy phóng xạ của các nguyên tố như uranium và thorium, và những sản phẩm phân rã của chúng. Đó là kết luận của một đội vật lí quốc tế đã sử dụng máy dò KamLAND ở Nhật Bản để đo thông lượng phản neutrino tỏa ra từ sâu trong lòng đất. Kết quả trên, phù hợp với những tính toán trước đây của sự nóng lên do phóng xạ, sẽ giúp các nhà vật lí cải thiện các mô hình giải thích sự phát sinh nhiệt trên Trái đất.

Các nhà địa vật lí tin rằng nhiệt lượng từ bên trong Trái đất tỏa vào vũ trụ ở tốc độ khoảng 44 × 10¹² W (TW). Tuy nhiên, cái người ta không rõ là bao nhiêu phần nhiệt này là nhiệt nguyên thủy – còn lại từ sự hình thành Trái đất – và bao nhiêu là do phân hủy phóng xạ sinh ra.

Mô hình phổ biến nhất của sự nóng lên do phóng xạ xây dựng trên mô hình khối silicate Trái đất (BSE), mô hình giả định rằng các chất phóng xạ, như uranium và thorium, được tìm thấy trong thạch quyển và lớp bao của Trái đất – chứ không có mặt trong lõi sắt của nó. BSE còn phát biểu rằng hàm lượng chất phóng xạ có thể ước tính bằng cách nghiên cứu đá núi lửa hình thành trên Trái đất, cũng như thành phần của các thiên thạch.

Là một hệ quả của mô hình này, các nhà khoa học tin rằng khoảng 20 TW sinh ra bởi sự phân hủy phóng xạ - 8 TW từ chuỗi phân rã uranium-238; 8 TW từ chuỗi phân rã thorium-232 và 4 TW còn lại từ kalium-40. May thay, những chuỗi phân rã này còn tạo ra các phản neutrino electron, chúng truyền dễ dàng xuyên qua Trái đất và có thể phát hiện ra, nhờ đó cung cấp cho các nhà vật lí một phương pháp đo tốc độ phân rã và cuối cùng là nhiệt lượng sinh ra ở sâu trong lòng đất.

Phân hủy và đo

Vào năm 2005, các nhà nghiên cứu tại KamLAND loan báo rằng họ đã phát hiện ra khoảng 22 “địa neutrino” như thế, trong khi hồi năm ngoái, các nhà khoa học tại thí nghiệm Borexino ở Italy cho biết họ đã phát hiện ra 10 hạt. Giờ thì đội KamLAND đã bắt được 111 hạt nhỏ xíu hầu như không khối lượng này. Các kết quả gộp lại cho phép đội KamLAND kết luận rằng thông lượng nhiệt do những chuỗi phân rã uranium và thorium là khoảng 20 TW với sai số khoảng 8 TW. Trong khi thí nghiệm KamLAND không thể phát hiện ra các phản neutrino năng lượng thấp từ phân rã kalium-40, nhưng các nhà nghiên cứu tin rằng giá trị 4 TW tiên đoán bởi mô hình BSE là chính xác.

Mặc dù 20 TW từ uranium và thorium là nhiều hơn 16 TW tiên đoán bởi mô hình BSE, nhưng nó vẫn nằm trong phạm vi sai số thực nghiệm – và nhỏ hơn nhiều so với tổng thông lượng 44 TW. “Một điều chúng tôi có thể nói gần như chắc chắn rằng chỉ riêng sự phân hủy phóng xạ không đủ để giải thích cho năng lượng nhiệt của Trái đất”, phát biểu của cộng tác viên KamLAND, Stuart Freedman thuộc Phòng thí nghiệm Lawrence Berkeley ở California. “Phần còn lại là nhiệt nguyên thủy hay có xuất xứ từ một nguồn khác là một câu hỏi chưa được trả lời”.

Một khả năng đã được bàn cãi trước đây là có một lò phản ứng hạt nhân tự nhiên ở sâu bên trong Trái đất và tạo ra nhiệt qua một phản ứng phân hạch dây chuyền. Dữ liệu thu từ KamLAND và Borexino không bác bỏ khả năng có một lò phản ứng dưới lòng đất như thế, nhưng chúng đặt ra những giới hạn trên cho lượng nhiệt có thể sinh ra bởi lò phản ứng ở sâu trong lòng đất, nếu như nó tồn tại. KamLAND đặt ra giới hạn này vào khoảng 5 TW, còn Borexino đặt ra khoảng 3 TW.

Quả khí cầu chứa đầy dầu

Máy dò KamLAND là một khí cầu khổng lồ chứa đầy 1000 tấn dầu khoáng được theo dõi bởi hơn 1800 ống nhân quang. Nó nằm sâu dưới lòng đất trong một quặng mỏ ở Nhật để che chắn máy dò khỏi tia vũ trụ.

Thỉnh thoảng, một phản neutrino sẽ phản ứng với một proton trong dầu để tạo ra một neutron và một positron. Positron đó truyền đi một khoảng cách ngắn trong dầu, giải phóng một lóe sáng khi nó làm ion hóa các phân tử dầu. Sau đó, positron đó phân hủy với một electron, tạo thành hai photon tia gamma. Hai quá trình này xảy ra rất nhanh và ánh sáng đó có thể phát hiện bằng các ống nhân quang. Ngoài ra, năng lượng của phản neutrino đó có thể ước tính từ lượng ánh sáng giải phóng trong sự ion hóa.

Một vài trăm mili giây sau đó, neutron bị bắt giữ bởi một proton, tạo thành một deuteron. Kết quả là mang lại sự phát xạ tia gamma, cái cũng có thể phát hiện ra bằng ống nhân quang. Bằng cách nhìn vào những tín hiệu trên ống nhân quang cách nhau những lượng thời gian thích hợp, KamLAND có thể phân biệt giữa những sự kiện phản neutrino cực hiếm và những tín hiệu xảy ra thường xuyên hơn do bức xạ nền gây ra.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Geoscience 10.1038/ngeo1205.

Nguồn: physicsworld.com