In termini molto generali, la Terra è costituita da:
Un nucleo centrale, assumiamolo per semplicità sferico, con un raggio di circa 4000 km;
-un mantello, di materiale viscoso, che circonda il nucleo, profondo circa 2000 km;
-infine la crosta, che appoggia sul mantello, relativamente molto sottile, con spessore di circa 30 km nella parte pianeggiante dei continenti e di circa 10 km sotto gli Oceani.
È molto importante sapere come è fatto il mantello, che ha al suo interno una distribuzione disomogenea di calore, causa di movimenti di materia (moti convettivi), i quali a loro volta provocano le attività vulcaniche e i movimenti delle placche tettoniche (quindi i terremoti).
I metodi fisici di investigazione sono affidati allo studio delle onde sismiche, per mezzo del quale si riesce a capire se la materia attraversata è liquida o solida, e a misurarne approssimativamente la densità. Si hanno invece molto poche informazioni sulla composizione chimica, e anche quelle poche sono limitate agli strati superiori del mantello.
Poiché i carotaggi non riescono a raggiungere il mantello, le uniche informazioni vengono da rocce espulse nel corso di eruzioni vulcaniche (che tuttavia possono essere state alterate nel loro tragitto) e da alcuni affioramenti in spaccature della crosta nel fondo degli Oceani.
Ma la natura ci viene in aiuto. I nuclidi radioattivi, quando decadono, emettono energia, che viene trasformata in energia termica, e particelle: alfa, elettroni e neutrini (anzi anti-neutrini, cioè l’antiparticella del neutrino).
I neutrini (e gli antineutrini) sono particelle neutre, di massa estremamente piccola, che interagiscono molto poco con la materia che attraversano. Quindi se un nuclide decade all’interno della Terra, emette energia termica e produce particelle che vengono subito assorbite, tranne i neutrini che giungono fino a noi. Essi rappresentano quindi delle formidabili spie, che trasportano informazioni dagli strati interni della Terra.
Questi neutrini vengono chiamati geo-neutrini. Già nel 2010, l’esperimento Borexino, da me diretto dal 1990 fino all’anno scorso, aveva avuto la prima vera evidenza dell’esistenza dei geo-neutrini, insieme all’esperimento giapponese Kamland.
L’esperimento Borexino è istallato nel laboratorio sotterraneo del Gran Sasso, dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. Data la scarsissima propensione dei neutrini ad interagire con la materia (che rappresenta la sola possibilità di rilevare il loro passaggio), è necessario non solo schermarsi dai raggi cosmici, andando sottoterra appunto, ma bisogna ridurre a livelli molto vicini allo zero anche la radioattività naturale, presente in qualunque materiale.
Altrimenti i pochi i segnali prodotti dai geo-neutrini sono completamente mascherati dalla radioattività naturale; tanto per dare un ordine di grandezza: Borexino rivela circa40 eventi di neutrini solari al giorno e 1 geo-neutrino in circa 4 mesi! Borexino ha sviluppato tecnologie per la riduzione della radioattività naturale che ha permesso di ridurre queste radiazioni ad un livello molto vicino allo zero, mai ottenuto prima. In questo Borexino è un esperimento unico al mondo.
Dopo il 2010 Borexino ha continuato a raccogliere dati sui geo-neutrini ed ora siamo stati in grado di ottenere ulteriori risultati, che cercherò di riassumere qui in modo schematico.
Abbiamo ottenuto la dimostrazione sperimentale che gli elementi radioattivi che emettono i geo-neutrini, che riusciamo ad osservare, appartengo alle due maggiori famiglie radioattive: quelle del Torio e dell’Uranio.
Abbiamo un’indicazione importante che questi elementi radioattivi sono nel mantello, oltre che nella crosta. Bisogna sottolineare che il Torio e l’Uranio, come pure i nuclidi appartenenti alle loro famiglie, non dovrebbero essere presenti nel nucleo centrale della Terra, per ragioni di affinità chimica. Sia Borexino sia Kamland osservano delle reazioni prodotte dagli antineutrini della Terra, che non sono accessibili, per ragioni di energia, ai neutrini emessi da un altro elemento radioattivo, il Potassio, il cui apporto potrebbe essere molto importante.
Il rapporto fra la presenza nella Terra di Torio e quella di Uranio, ottenuto studiando i geo-neutrini, è in accordo con il cosiddetto rapporto condritico, cioè lo stesso rapporto misurato nel materiale meteoritico, che arriva sulla Terra dallo Spazio. È questa un’informazione molto importante per i modelli riguardanti la formazione del Sistema Solare.
Dalla valutazione delle quantità di elementi radioattivi presenti nella Terra, si ha un’indicazione che l’energia termica prodotta da questi decadimenti rappresenta una parte molto importante del totale dell’energia termica terrestre. Questo dato viene desunto dal flusso di geo-neutrini misurato per quanto riguarda il Torio e l’Uranio, al quale viene aggiunto il Potassio, calcolato quest’ultimo utilizzando il rapporto condritico. Questo è solo un passo intermedio permesso dalle prospettive di studio della struttura della Terra aperte dalla scoperta dei geo-neutrini. Il lavoro ovviamente continua. Borexino prenderà dati sui geo-neutrini almeno fino alla fine del 2015.