Forscher schätzen radioaktives Signal des Erdmantels ab

Aus einer Langzeit-Messung von Geo-Neutrinos am Neutrino-Detektor Borexino haben Wissenschaftler auf das radioaktive Signal der langlebigen Elemente Thorium und Uran im Erdmantel geschlossen. Das Ergebnis trägt dazu bei, den Ursprung der Erdwärme besser zu verstehen.

Seit langem studieren Physiker Neutrinos, die von der Sonne abgestrahlt oder durch kosmische Strahlen erzeugt werden und in die Erdatmosphäre eintreten. Diese Beobachtung haben das Verständnis der Sonnenphysik verbessert und gezeigt, dass Neutrinos – ladungslose, mit Materie nur schwach wechselwirkende Elementarteilchen – eine winzig kleine Masse tragen. Aber auch im Erdinneren werden Neutrinos freigesetzt. Sie entstehen durch radioaktive Zerfälle bestimmter Atomkerne, insbesondere von Thorium und Uran. Diese so genannten Geo-Neutrinos gehen fast ungeschwächt durch alle Erdschichten hindurch und lassen daher Rückschlüsse auf die gesamte radioaktive Wärmeerzeugung im Erdinneren zu.

Zum Nachweis von Sonnen- als auch Geo-Neutrinos haben internationale Wissenschaftler unter starker Beteiligung der Technischen Universität München im italienischen Gran Sasso-Untergrundlabor das Instrument Borexino entwickelt und aufgebaut. Zwischen Dezember 2007 und August 2012 hat Borexino 14 Neutrinos detektiert, die als Geo-Neutrinos identifiziert werden konnten. Unter Berücksichtigung der lokalen geologischen Gegebenheiten und Modellen der Erdkruste konnten die Physiker daraus das radioaktive Signal von Thorium und Uran herausfiltern und dessen Beitrag zur Erdwärme abschätzen.

Die Wissenschaftler verglichen ihre Ergebnisse mit denen des japanischen KamLAND-Experiments. Es zeigte sich, dass die radioaktiven Signale im Einklang mit dem bekannten Verhältnis von Thorium und Uran sind. „Zum ersten Mal haben damit zwei unabhängige Geo-Neutrino-Detektoren an verschiedenen Stellen der Erde dieselbe Beschränkung für die radioaktive Wärme aus dem Zerfall von Uran und Thorium gemessen“, sagt Prof. Dr. Stefan Schönert von der Technischen Universität München, der auch Principal Investigator des Exzellenzclusters Universe ist. „Die neuen Ergebnisse markieren daher einen Durchbruch für die Geowissenschaften und insbesondere für das Verständnis des Ursprungs und der thermischen Entwicklung der Erde.“

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