di Piero Bianucci www.pierobianucci.it
Un esperimento per lo studio dei neutrini di origine cosmica in corso nel Laboratorio del Gran Sasso, sta chiarendo l’origine dell’energia che emana dalla Terra. Il nostro pianeta è geologicamente vivo: ce lo dicono i terremoti, i vulcani, le montagne, le dorsali oceaniche e più in generale la tettonica a placche, il paradigma geofisico che spiega tutti questi fenomeni con il lento moto di una dozzina di “placche” o “zolle” che, come un mosaico, costituiscono la litosfera, popolarmente la “crosta terrestre”, spessa da 30 a 50 chilometri.
Il movimento delle “placche” – qualche centimetro all’anno – è generato da moti convettivi che avvengono nel mantello, uno strato semi-fluido spesso 2900 km che sta intorno al nucleo metallico della Terra. Ma qual è il “motore” che fa salire verso la superficie le correnti convettive del mantello? Da dove viene l’energia necessaria?
I neutrini generati dal sottosuolo
L’esperimento Borexino, catturando, oltre a quelli cosmici, anche i neutrini generati nel sottosuolo (detti “geo-neutrini”), ha fornito la risposta. Nel mantello, nuclei di uranio 238, torio 232 e potassio 40 con il loro decadimento radioattivo funzionano come una stufa che riscalda il pianeta generando i movimenti delle placche e quindi i terremoti, l’attività vulcanica, il sollevamento delle montagne e così via. Borexino fornì le sue prime indicazioni nel 2010. Nuovi dati presentati in un convegno sui “telescopi” a neutrini svoltosi dal 10 al 15 marzo 2013 a Venezia hanno precisato il fenomeno. Il flusso dei geo-neutrini spiega circa la metà dell’energia interna della Terra. Il rapporto dei contenuti di uranio e torio nel mantello è in accordo con quanto si trova analizzando le meteoriti. Questa è una importante conferma delle teorie sull’origine del sistema solare. Inoltre gli ultimi dati di Borexino smentiscono con più precisione l’ipotesi che al centro del nostro pianeta agisca una sorta di enorme reattore naturale, il cosiddetto geo-reattore, che sfrutti giacimenti di uranio presenti intorno al nucleo centrale della Terra.
Un’enorme quantità di energia
Benché l’energia proveniente dal cuore della Terra sia molto diluita – pari a circa 60 watt per la superficie di un campo da calcio – ciò non toglie che sull’intera superficie terrestre, che è di 500 milioni di chilometri quadrati, essa sia enorme. L’origine di tanta energia, liberata sotto forma di calore, non è del tutto chiara. In parte risale alla formazione del pianeta, avvenuta 4,5 miliardi di anni fa nella stessa nebulosa che ha generato il Sole. In parte deriva da una lenta contrazione gravitazionale e da fenomeni chimici. Ma, a conti fatti, la principale sorgente dovrebbe essere costituita da elementi radioattivi che, decadendo, emettono calore e… neutrini. O, più precisamente, anti-neutrini, cioè i gemelli dei neutrini appartenenti però al mondo dell’antimateria.
Materia e antimateria
Viviamo immersi in un oceano di neutrini e antineutrini: il Sole ne invia ogni secondo 60 miliardi su ogni centimetro quadrato del nostro pianeta. Sono particelle che interagiscono pochissimo con la materia ordinaria, quella che costituisce la Terra e tutti gli organismi viventi. Quindi attraversano indisturbate il nostro corpo e ogni altro ostacolo. Terra inclusa. Il 2-3% dell’energia prodotta dalle reazioni termonucleari del Sole (fusione di nuclei di idrogeno in nuclei di elio) è sotto forma di neutrini. Questa invisibile “luce” di neutrini ci “illumina” anche di notte: soltanto, anziché arrivarci dall’alto, ci investe dal sottosuolo, in quanto per i neutrini la Terra è quasi trasparente.
Anche il decadimento radioattivo di uranio-238, torio-232 e potassio-40 produce antineutrini che arrivano dal basso: sono, appunto, i “geoneutrini”. Ma come distinguerli da quelli molto più numerosi di origine solare?
Concettualmente è semplice: a seconda della loro origine, i neutrini hanno una energia caratteristica, che è la loro carta di identità. Basta catturarli e misurarne l’energia: sapremo subito se arrivano dal Sole o dalle rocce terrestri. Peccato che in un anno i fisici di Borexino riescano a osservare solo una dozzina di antineutrini, tra i quali i veri geoneutrini sono circa la metà. Un geoneutrino ogni due mesi.
Come Jules Verne. In viaggio coi neutrini
Uno schema dell’interno della terra
Ma queste particelle possono accompagnarci in un “viaggio al centro della Terra” che nemmeno Jules Verne sarebbe riuscito a immaginare.
Le energie rilasciate ogni secondo da un grammo di materia sono 0,95 erg per l’uranio, 0,27 erg per il torio e circa 3 centomillesimi di erg per il potassio. Il contributo effettivo dipende dalla quantità di questi elementi contenuta nel sottosuolo, un dato mal conosciuto. Si pensa che uranio, torio e potassio siano concentrati soprattutto nella crosta o litosfera e nel mantello terrestri. La litosfera però è sottile e incide circa 60 volte meno del mantello. I neutrini emessi dal potassio-40 sono oscurati da quelli solari. I neutrini dell’uranio-238 e del torio-232 invece sono osservabili e possiamo anche distinguerli in base alla loro energia caratteristica. Così i neutrini diventano la nostra sonda per arrivare là dove non arriverà mai nessuna trivella. Secondo gli ultimi dati, la potenza termica complessiva di cui dispone la Terra è stimata da 31 a 44 mila gigawatt (1 gigawatt è la potenza tipica di una grande centrale nucleare) e il contributo degli elementi radioattivi equivale a 23 mila gigawatt.
Proposta di ricerca
“Borexino” è un esperimento internazionale che coinvolge circa 100 ricercatori europei e americani. Il suo obiettivo principale è l’osservazione dei neutrini provenienti dal Sole e prodotti nelle reazioni termonucleari che sono la fonte della sua energia. Dagli anni Settanta del secolo scorso fino a tempi recenti il numero di questi neutrini risultava di un terzo inferiore a quello previsto. La soluzione è venuta da una teoria del fisico italiano Bruno Pontecorvo e da nuovi esperimenti sui neutrini.
Quali sono i principali risultati ottenuti finora dall’esperimento Borexino?
Per un punto di partenza per la ricerca, guarda qui.
Approfondisci: i geoneutrini e l’ambiente
L’ambiente in cui viviamo è continuamente attraversato da miliardi e miliardi di neutrini. Queste particelle provenienti dallo spazio sono una componente dei cosiddetti “raggi cosmici”.
Sul nostro corpo e in generale sugli organismi viventi i neutrini possono avere degli effetti dannosi? E le altre particelle dei raggi cosmici primari e secondari?
Per un punto di partenza per la ricerca, guarda qui.