Artículo publicado por Paul Preuss el 17 de julio de 2011 en Berkeley Lab

Científicos del Laboratorio Berkeley se unen a colegas de KamLAND para medir las fuentes radiactivas del flujo de calor de la Tierra.

¿Qué separa los lechos oceánicos y mueve los continentes? ¿Qué funde el hierro en el núcleo externo y permite el campo magnético terrestre? El calor. Los geólogos han usado medidas de temperatura procedentes de más de 20 000 perforaciones en todo el mundo para estimar que unos 44 terawatts (44 billones de watts) de calor fluyen continuamente desde el interior de la Tierra al espacio.¿De dónde proceden?

Corte de la Tierra

El decaimiento radiactivo del uranio, torio y potasio en la corteza y manto de la Tierra es la fuente principal, y en 2005 científicos de la colaboración KamLAND, con sede en Japón, demostraron por primera vez que había una forma de medir directamente la contribución. El truco es capturar lo que KamLAND llamó geoneutrinos – más precisamente, geoantineutrinos – emitidos cuando decaen los isótopos radiactivos. (KamLAND es el acrónimo de Kamioka Liquid-scintillator Antineutrino Detector – Detector de Antineutrinos de líquido centelleante de Kamioka).

“Como detector de geoneutrinos, KamLAND tiene diversas ventajas”, dice Stuart Freedman del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de los Estados Unidos, que es un contribuyente principal de KamLAND. Freedman, miembro de la División de Ciencia Nuclear del Laboratorio Berkeley y profesor del Departamento de Física de la Universidad de California en Berkeley, lidera la participación estadounidense. “KamLAND fue específicamente diseñado para estudiar los antineutrinos”. Podemos discriminarlos del ruido de fondo y detectarlos con una sensibilidad muy alta”.

Los científicos de KamLAND han publicado ahora nuevas cifras para la energía térmica procedente del decaimiento radiactivo en la revista Nature Geoscience. Basándose en la sensibilidad mejorada del detector KamLAND, además de varios años de datos adicionales, la nueva estimación no es simplemente “consistente” con las predicciones de los modelos geofísicos aceptados, sino que es lo bastante precisa para ayudar a refinar los modelos.

Algo que es cierto en un 97% es que el decaimiento radiactivo suministra aproximadamente la mitad del calor terrestre. Otras fuentes – calor primordial restante de la formación del planeta, y posiblemente otras – deben tener en cuenta el resto.

Cazando neutrinos en las profundidades de la Tierra

Los antineutrinos se producen no sólo en el decaimiento de isótopos de uranio, torio y potasio sino por una variedad de otros, incluyendo productos de fisión en reactores de energía nuclear. De hecho, los antineutrinos producidos en reactor fueron los primeros neutrinos en ser detectados directamente (neutrinos y antineutrinos se distinguen entre sí por las interacciones en las que aparecen).

Debido a que los neutrinos interactúan sólo por medio de la fuerza nuclear débil – y la gravedad, insignificante excepto a escala cósmica – fluyen a través de la Tierra como si ésta fuese transparente. Esto los hace difíciles de observar, pero en las rarísimas ocasiones en las que un antineutrino colisiona con un protón dentro del detector KamLAND – una esfera llena con mil toneladas métricas de aceite mineral centelleante – produce una doble señal inconfundible.

La primera señal llega cuando el antineutrino convierte el protón en un neutrón más un positrón (un antielectrón), que rápidamente se aniquila cuando impacta en un electrón común – un proceso conocido como decaimiento beta inverso. El débil destello de luz procedente de positrón ionizante y el proceso de aniquilación es captado por más de 1800 tubos fotomultiplicadores dentro de la vasija de KamLAND. Un par de cientos de millonésimas de segundo más tarde, el neutrón procedente del decaimiento es capturado por un protón en el fluido rico en hidrógeno y emite un rayo gamma, la segunda señal. Esta “coincidencia retrasada” permite que se distingan las interacciones de antineutrinos de eventos de fondo tales como impactos procedentes de rayos cósmicos que penetran el kilómetro de roca que hay por encima del detector.

“Es como buscar un espía en medio de un gentío en la calle”, comenta Freedman. “No puedes descubrir al espía, pero si hay un segundo espía persiguiendo al primero, la señal aún es pequeña, pero fácil de observar”.

KamLAND estaba originalmente diseñado para detectar antineutrinos de más de 50 reactores en Japón, algunos cercanos y otros lejanos, para estudiar el fenómeno de la oscilación de neutrinos. Los reactores producen neutrinos electrón, pero cuando viajan oscilan en neutrinos muón y tau; los tres “sabores” están asociados con el electrón y sus primos más pesados.

Al estar rodeada por reactores nucleares, los eventos de fondo de KamLAND procedentes de los antineutrinos de los reactores también deben tenerse en cuenta en la identificación de eventos de geoneutrinos. Esta se hace identificando los antineutrinos de la planta nuclear por sus energías características y otros factores, tales como su tasa de variación de producción frente a la regular llegada de geoneutrinos. Los antineutrinos del reactor son calculados y sustraídos del total. Lo que queda son geoneutrinos.

Siguiendo el calor

Todos los modelos del interior de la Tierra dependen de pruebas indirectas. Los modelos predominantes del tipo conocido como composición global de la Tierra silicatada (bulk silicate Earth – BSE) asumen que el manto y la corteza contienen sólo litófilos (elementos “amantes” de la rica) y el núcleo contiene sólo siderófilos (elementos que “prefieren estar con el hierro”). De este modo todo el calor procedente del decaimiento radiactivo procede de la corteza y el manto – aproximadamente 8 terawatts del uranio 238, otros ocho del torio 232 y cuatro terawatts del potasio 40.

El método de detección de doble coincidencia de KamLAND es sensible a la parte de baja energía de la señal de geoneutrinos de U-238 y Th-232 y completamente insensible a los antineutrinos del K-40. También hay otros tipos de decaimiento radiactivo que son pasados por alto por el detector, pero comparados con el uranio, torio y potasio son despreciables contribuyentes al calor terrestre.

Los factores adicionales que deben tenerse en cuenta incluyen cómo se distribuyen los elementos radiactivos (si están esparcidos uniformemente o concentrados en una “capa sumergida” en el límite del núcleo-manto), variaciones debidas a elementos radiactivos en la geología local (en el caso de KamLAND, menos del 10 por ciento del flujo esperado), antineutrinos procedentes de productos de fisión, y cómo oscilan los neutrinos cuando viajan a través de la corteza y el manto. También se consideraron las teorías alternativas, incluyendo la idea especulativa de que puede haber u reactor nuclear natural en algún punto de las profundidades de la Tierra, donde elementos fisibles se han acumulado e iniciado una reacción de fisión sostenida.

KamLAND detectó 841 eventos candidatos de antineutrinos entre marzo de 2002 y noviembre de 2009, de los cuales aproximadamente 730 fueron eventos de reactores u otros ruidos de fondo. El resto, unos 111, procedían del decaimiento radiactivo del uranio y torio en la Tierra. Estos resultados se combinaron con datos del experimento Borexino en Gran Sasso en Italia para calcular la contribución del uranio y el torio a la producción de calor en la Tierra. La respuesta fue de 20 terawatts; basándose en modelos, se estima que otros tres terawatts proceden del decaimiento de isótopos aislados.

Esto es más energía de lo que sugieren los modelos BSR más populares, pero aún lejos del total de la Tierra. Freedman comenta que: “Algo que podemos decir casi con toda certeza es que el decaimiento radiactivo solo no es suficiente para tener en cuenta la energía térmica de la Tierra. Si el resto es calor primordial o procede de alguna otra fuente, es una pregunta aún por responder”.

El probable que aparezcan mejores modelos cuando se coloquen más detectores de geoneutrinos en distintos lugares de todo el mundo, incluyendo islas en mitad de los océanos donde la corteza es fina y las concentraciones locales de radiactividad (por no mencionar los reactores nucleares) son mínimas.

“Esto es lo que se conoce como un problema inverso, donde tienes una gran cantidad de información pero también muchas entradas y variables complejas”, señala Freedman. “Navegar por todas ellas para llegar a la mejor explicación entre muchas requiere de múltiples fuentes de datos”.

“Partial radiogenic heat model for Earth revealed by geoneutrino measurements,” por la Colaboración KamLAND, e Itaru Shimizu de la Universidad de Tohoku en Sendai, Japón como autor correspondiente, se publica en Nature Geoscience y está disponible en publicación on-line anticipada en http://www.nature.com/ngeo/journal/vaop/ncurrents/abs/ngeo1205.html.