Indagare il potassio mancante della Terra usando la firma di antimateria dei geoneutrini

Perché il calore nascosto della Terra è importante

L’interno della Terra è abbastanza caldo da alimentare i vulcani, guidare la tettonica a placche e sostenere il campo magnetico del pianeta, eppure gli scienziati non sanno ancora con precisione da dove provenga tutto quel calore. Una parte consistente dell’enigma riguarda particelle minuscole e sfuggenti chiamate geoneutrini, che vengono rilasciate quando gli elementi radioattivi all’interno della Terra decadono. Abbiamo già rilevato geoneutrini provenienti da uranio e torio, ma non da potassio-40, una forma rara del potassio che dovrebbe essere una fonte primaria di calore. Questo articolo espone come potremmo finalmente rilevare il segnale elusivo del potassio e, così facendo, risolvere misteri di lunga data sulla composizione e sulla storia termica della Terra.

Il caso del potassio scomparso

I modelli di formazione della Terra suggeriscono che il nostro pianeta dovrebbe contenere molto più potassio di quanto osserviamo nelle rocce di superficie. Rispetto ai meteoriti primitivi, la Terra sembra aver perso tra i due terzi e i sette ottavi del potassio atteso. Un’ipotesi è che il potassio sia stato perso nello spazio durante la giovinezza violenta del pianeta; un’altra è che una grande frazione sia sprofondata nel nucleo. Allo stesso tempo, quasi tutto l’argon-40 nell’atmosfera proviene dal decadimento del potassio-40, e le misure attuali mostrano anche un problema di “argon mancante”. Poiché i decadimenti del potassio-40 producono sia calore sia antineutrini in un rapporto fisso, misurarne direttamente i geoneutrini ci direbbe quanto potassio è nascosto negli strati profondi della Terra, chiarendo quanto calore radiogenico fornisce ora e in passato e definendo meglio la nostra comprensione degli elementi volatili della Terra, compresa l’acqua.

Vedere le impronte dell’antimateria

Gli esperimenti sui neutrini in Giappone e in Italia hanno già catturato antineutrini da uranio e torio usando un processo chiamato decadimento beta inverso su idrogeno, che funziona solo per particelle relativamente ad alta energia. I geoneutrini del potassio-40 hanno energie troppo basse per innescare quella reazione. Gli autori si concentrano invece su una proprietà diversa: questi geoneutrini sono antimateria e, quando interagiscono, producono positroni, i gemelli di antimateria degli elettroni. Un positrone lascia un modello distintivo: si rallenta, annichilisce con un elettrone e crea due flash caratteristici di raggi gamma. Il concetto di rivelatore LiquidO cattura questi dettagli topologici utilizzando uno scintillatore liquido “opaco” percorso da molte fibre che raccolgono la luce. In un mezzo di questo tipo, la luce rimane vicino al punto di produzione, così il rivelatore può ricostruire la forma e i tempi fini di ogni evento, rendendo possibile etichettare i positroni e scartare la maggior parte dei fondali radioattivi ordinari.

Scegliere il bersaglio atomico giusto

Per catturare i geoneutrini del potassio-40, il team valuta molti nuclei candidati che possono subire una reazione simile al decadimento beta inverso a basse energie. Richiedono una soglia di reazione bassa, una probabilità di interazione ragionevolmente alta e un’abbondanza naturale elevata in modo che il rivelatore non necessiti di arricchimenti esotici. Cloro e rame emergono come le opzioni più promettenti. Il cloro ha buone proprietà nucleari e può essere disciolto in liquidi organici, ma presenta un difetto fatale: il cloro naturale contiene tracce di un isotopo a lunga vita, il cloro-36, che produce positroni a un tasso che sovrasterebbe completamente il debole segnale del potassio. Al contrario, il rame non ha isotopi emettitori di positroni a lunga vita, e il suo principale prodotto di attivazione, il rame-64, è a vita breve e può essere fortemente soppresso mediante schermatura, operazione sotterranea e manipolazione attenta.

Come rame e LiquidO lavorano insieme

Nel progetto proposto, un enorme rivelatore LiquidO è caricato con una grande frazione di rame. Quando un antineutrino del potassio-40 colpisce un nucleo di rame-63, può trasformarlo in nichel-63 emettendo un positrone. In molti casi il nichel-63 è prodotto in uno stato leggermente eccitato e, dopo circa un microsecondo, emette un fotone gamma a bassa energia mentre si deexcita. LiquidO può catturare l’intera sequenza: prima una traccia localizzata del positrone terminante con due flash di annichilazione gamma, poi un deposito ritardato e puntuale di gamma nelle vicinanze. Questa doppia firma è estremamente difficile da imitare per i processi di fondo. Allo stesso tempo, l’idrogeno nello scintillatore continua a rilevare i geoneutrini più abbondanti da uranio e torio, oltre agli antineutrini dei reattori, usando il decadimento beta inverso standard con segnale neutronico. Quelle misure ad alta statistica permettono ai ricercatori di prevedere con precisione quanti eventi di antineutrini non provenienti dal potassio dovrebbero riversarsi nel canale a bassa energia del rame, così ogni eccesso può essere attribuito al potassio-40.

La portata della sfida

Anche con questa strategia ingegnosa, i geoneutrini del potassio-40 interagiscono con una rarità incredibile. Gli autori stimano che per raggiungere una scoperta statisticamente solida, un rivelatore dovrebbe avere una massa comparabile ai più grandi esperimenti di neutrini pianificati—dell’ordine di decine di migliaia fino a qualche centinaio di migliaia di tonnellate di liquido scintillante, con il rame che costituisce fino a metà del peso totale. In dieci anni di funzionamento, uno strumento di questo tipo potrebbe raccogliere solo una manciata di eventi da potassio all’anno, ma abbastanza per raggiungere una significatività tra 3 e 5 sigma misurando al contempo i geoneutrini di uranio e torio con precisione squisita. Costruire e operare un rivelatore di questa scala, con elevato caricamento di rame e lettura densa a fibre, richiederà importanti progressi nella chimica dello scintillatore, nell’ingegneria meccanica e nell’ottimizzazione dei costi, perciò gli autori prevedono un programma a tappe che inizi con prototipi più piccoli vicino a reattori nucleari per testare le idee principali e calibrare il tasso di interazione sul rame.

Cosa impariamo sul nostro pianeta

Se i geoneutrini del potassio-40 potranno essere osservati in questo modo, fornirebbero una misura diretta del contenuto di potassio nascosto nella Terra e del suo contributo al calore interno del pianeta. Ciò, a sua volta, affinerebbe le stime di quanto velocemente la Terra si è raffreddata nel tempo, di quanto del flusso di calore superficiale odierno sia radiogenico rispetto a primordiale e di quanto la composizione complessiva della Terra si avvicini ai diversi modelli basati sui meteoriti. Combinati con dati precisi sui geoneutrini di uranio e torio, i dati sul potassio stringerebbero i vincoli sui rapporti tra elementi chiave, aiutando a risolvere i problemi del “potassio mancante” e dell’“argon mancante” e migliorando la nostra comprensione degli elementi volatili durante la formazione dei pianeti. In breve, catturare questi deboli sussurri di antimateria dal sottosuolo potrebbe riscrivere la storia di come la Terra si è formata, è evoluta e resta geologicamente viva.

Citazione: LiquidO Collaboration. Probing Earth’s missing potassium using the antimatter signature of geoneutrinos. Commun Phys 9, 95 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02518-6

Parole chiave: geoneutrini, calore interno della Terra, potassio radioattivo, rivelatori di neutrini, formazione planetaria