Neutrínový experiment SNO+ sa ukrýva hlboko v bani Creighton v kanadskom laboratóriu Snolab. Srdcom zariadenia v hĺbke 2 kilometrov je 12-metrová akrylová guľa obklopená takmer 10-tisíc citlivými fotodetektormi. Tie zaznamenávajú záblesky v 780 tonách kvapalného scintilátora vo vnútri gule, ktoré vznikajú pri prechode vysokoenergetických častíc. Voda obklopujúca celý systém a hornina nad ním chránia detektor pred kozmickým žiarením, vďaka čomu dokáže zachytiť aj zriedkavejšie interakcie častíc.
Experiment si vyžaduje absolútnu tmu, a to aj mimo spektra viditeľného svetla. Keď človek zostúpi hlavnou šachtou a prejde skalným tunelom k laboratóriu, na tele a oblečení sa mu usadí malé množstvo rádioaktívneho radónového prachu. Pred vstupom do hlavného laboratórneho priestoru sa preto musí osprchovať a prezliecť, aby dovnútra vniesol čo najmenej nečistôt.
Takéto extrémne opatrenia sú potrebné na zachytenie prízračných častíc, ktoré môžu pomôcť odhaliť tajomstvá neprístupných oblastí hlboko v Zemi.
Rádioaktívna planéta
Neutrína sú najpočetnejšími časticami s nenulovou hmotnosťou, ich hmotnosť je však nepatrná: predstavuje iba milióntinu hmotnosti elektrónu. Pre svoju malú hmotnosť a nulový elektrický náboj tieto častice takmer nikdy neinteragujú s inou hmotou. Každú sekundu ich naším telom prechádzajú bilióny, no vedci pomocou SNO+ a podobných detektorov za uplynulé roky zachytili len niekoľko stotisíc vzácnych zábleskov svedčiacich o prítomnosti týchto častíc. Väčšinu z nich vyvolali neutrína pochádzajúce zo Slnka.
Ešte náročnejšie je zachytiť geoneutrína, ktorých sa za niekoľko desaťročí podarilo zaznamenať iba niekoľko stoviek. Geoneutrína vznikajú pri procesoch, ktoré zohrievajú vnútro planéty. Toto teplo zohráva významnú úlohu pri udržiavaní prúdenia hornín v plášti, ktoré ovplyvňuje mnohé javy od doskovej tektoniky až po magnetické pole Zeme. Pochádza z dvoch hlavných zdrojov: zo zvyškového tepla po vzniku planéty a z rozpadu uránu, tória a draslíka v horninách plášťa a kôry. Bez druhého z týchto zdrojov by Zem už dávno vychladla a bola by tektonicky mŕtvou planétou.
Počítaním geoneutrín môžu fyzici získavať priame informácie o prvkoch, ktoré produkujú teplo nevyhnutné pre fungovanie Zeme. „Toto je jediná vec, ktorú robíme so zameraním na Zem. Všetky ostatné naše aktivity sa sústreďujú skôr na to, čo k nám prichádza z iných oblastí vesmíru,“ povedal Ryan Bayes, časticový astrofyzik z Queen’s University, ktorý pracuje na projekte SNO+.
Prvé zachytenie geoneutrín sa podarilo japonskému detektoru Kamland a vedci o ňom informovali v roku 2005. V roku 2009 detektor Borexino v Taliansku zaznamenal ďalších niekoľko desiatok geoneutrín. Výskumníci zo SNO+ oznámili prvé úspešné detekcie v novembri 2025 a počet pozorovaných geoneutrín zvýšili približne o 50.
Pozorovania SNO+ sú výnimočné vďaka miestu experimentu: ide o prvé geoneutrína zachytené na západnej pologuli, ktoré tak ponúkajú nový pohľad na rádioaktívne vnútro Zeme.
Interpretáciu výsledkov experimentov stále sprevádzajú značné neistoty, no podľa najlepších odhadov vedcov každý detektor meria iný tok častíc. „Môže to byť prvý náznak, že plášť nie je rovnomerný,“ povedal Mark Chen, časticový astrofyzik z Queen’s University a riaditeľ výskumnej spolupráce SNO+. Geochemici tradične predpokladali, že rádioaktívne prvky sú v plášti rozložené rovnomerne, pretože v roztavenej hornine sa všetko premiešava. Merania geoneutrín na rôznych miestach však naznačujú, že to tak nie je.
Oblasti, ktoré zdanlivo produkujú najviac geoneutrín, ležia nad útvarmi veľkými približne ako kontinenty, tvorenými mimoriadne horúcim a hustým materiálom. Označujú sa ako veľké oblasti s nízkou rýchlosťou šmykových vĺn (LLSVP) a seizmológovia ich zmapovali na oboch stranách jadra. Jedna sa nachádza pod Afrikou, druhá pod Tichým oceánom.
„V hĺbke plášťa môžu existovať štruktúry, ktoré ešte nepoznáme a v ktorých sa môžu koncentrovať určité prvky,“
hovorí Chen.
Neutrína by jedného dňa mohli priniesť nový pohľad na stále záhadný pôvod týchto hlbinných štruktúr. V širšom zmysle by mohli objasniť aj priestorové usporiadanie plášťa, ktoré určuje mnohé aspekty fungovania Zeme. „Mohla by to byť skutočne dôležitá metóda na vytvorenie chemickej mapy zemského vnútra,“ povedal William McDonough, geochemik z Čínskej akadémie vied, ktorý už dlho patrí k vedúcim osobnostiam výskumu geoneutrín.
Detekcia geoneutrín
Otvorenou otázkou zostáva, či merania geoneutrín naozaj odhaľujú rozdiely medzi oblasťami plášťa pod jednotlivými experimentmi, alebo odchýlky vznikajú preto, že rôzne experimenty počítajú geoneutrína odlišným spôsobom. Výskumníci zhodne zdôrazňujú, že neistoty sú stále také veľké, že sa to nedá určiť.
„Ak by sme vychádzali z toho, ako výsledky na prvý pohľad vyzerajú, mohli by sme povedať, že na západnej pologuli je možno oveľa viac rádioaktívneho materiálu než na východnej,“ povedal McDonough. K týmto odhadom však treba z viacerých dôvodov pristupovať opatrne. „Majú pravdu Taliani? Alebo Japonci? Alebo všetci? Prípadne niečo nesedí?“ pokračuje odborník. Neistoty spojené s výsledkami jednotlivých detektorov vyplývajú z procesu filtrovania, ktorým fyzici identifikujú geoneutrína, vysvetlil Bayes. Častice sa totiž pri zachytení, žiaľ, samy nepredstavia, dodáva.
Vedci musia odfiltrovať signály častíc s príliš vysokou energiou, častíc s nesprávnou hodnotou spinu aj tých, pri ktorých predpokladajú pôvod v jadrových elektrárňach. Musia odfiltrovať aj geoneutrína prichádzajúce zo zemskej kôry, z ktorých väčšina pochádza z okruhu niekoľkých stoviek kilometrov od detektora. Po ich odpočítaní od celkového počtu by mali zostať iba signály geoneutrín z plášťa.
Vo všeobecnosti sa tok geoneutrín z plášťa pri detektore Borexino javí ako veľmi vysoký a pri Kamlande ako veľmi nízky, hoci neistoty sú veľké. Podrobná geologická interpretácia výsledkov SNO+ ešte prebieha, hovorí Chen, no zatiaľ odborníci pod Kanadou vidia „pomerne priemerný“ plášť.
Osobitnou výzvou pre výskumníkov zo SNO+ je porozumieť neutrínam prichádzajúcim z okolia detektora vrátane panvy, ktorá vznikla pri obrovskom impakte pred 1,8 miliardy rokov. „V tejto geologickej oblasti je veľa neznámych,“ povedala Virginia Strati, výskumníčka z Univerzity vo Ferrare v Taliansku, ktorá pomáhala vytvoriť model miestnej rádioaktivity pre Snolab.
Neistota vyplýva aj z toho, že presne nepoznáme celkové množstvo rádioaktívnych látok, ktoré zohrievajú plášť. Podľa toku geoneutrín môžu tieto prvky zabezpečovať len malé percento produkovaného tepla, ale aj jeho polovicu. Tento rozdiel zodpovedá výkonu niekoľkých desiatok tisíc jadrových elektrární.
Oba zdroje neistoty ďalej sťažujú zisťovanie rozdielov v chemickom zložení jednotlivých častí plášťa. Očakávané rozdiely v toku geoneutrín pri rôznom rozložení rádioaktívnych prvkov sú veľmi malé a v týchto neistotách sa strácajú, hovorí Strati.
V prúde častíc
Detekcia pomocou SNO+ prichádza v mimoriadne zaujímavom období výskumu geoneutrín. JUNO, ďalší obrovský neutrínový experiment, ktorý v súčasnosti zbiera údaje v Číne, by mal ešte v roku 2026 priniesť prvé meranie toku geoneutrín. Výskum tak získa štvrtý uhol pohľadu a podstatne ucelenejší obraz.
Experiment s viac ako 20-tisíc tonami scintilátora, umiestnený pod horou za mestom Guangzhou, je taký obrovský, že už počas prvého roka by mal zachytiť viac geoneutrín než Kamland, Borexino a SNO+ dohromady za uplynulé desaťročia.
Presnejšie odhady toku geoneutrín meraného jednotlivými experimentmi môžu priniesť podrobnejšie geologické údaje aj ďalšie počítanie geoneutrín na jednotlivých miestach. Podľa McDonougha by však najlepším riešením bolo umiestniť neutrínový detektor na dno oceánu. Takéto zariadenie by bolo ďaleko od kontinentálnych hornín bohatých na rádioaktívne prvky a oceánska kôra je navyše tenšia a rovnomernejšia. Neistoty súvisiace s kôrou by sa tak výrazne znížili.
Myšlienka detektora na dne oceánu, ktorého náklady sa odhadujú na niekoľko stoviek miliónov dolárov, zatiaľ u štátnych poskytovateľov financií našla len malý ohlas. McDonough teraz dúfa, že sa mu plán podarí uskutočniť v Číne, ktorá už dala zelenú aj ďalším veľkým projektom v oblasti vied o Zemi.
