Neutrino's uit het binnenste van de aarde geven een nieuw beeld van de mantel

Een wereldwijd netwerk van neutrinodetectoren creëert een ongekend beeld van de radioactieve elementen die de tektonische warmtemotor van de aarde aandrijven.

Bijschrift: Het JUNO-experiment, gelegen nabij de stad Guangzhou in China, zal naar verwachting dit jaar de eerste detecties van geoneutrino's rapporteren. (Bron: JUNO Collaboration)

In een laboratorium twee kilometer onder de grond laat een kraan detector-technicus Matt Depatie door een luik zakken in een witwandige grot gevuld met ongeveer 7.000 ton ultrapuur water dat in het licht blauw oplicht, als ruitensproeiervloeistof. "Splashdown," zegt Depatie via een radio terwijl hij stapt in een opblaasbare vlot die beneden op hem wacht.

Normaal gesproken is de grot een van de donkerste plaatsen op aarde, maar vandaag is deze verlicht voor onderhoud, wat ons een zeldzame kans biedt om naar binnen te kijken. Ik kijk door het luik naar Depatie terwijl hij naar het ondergedompelde experiment peddelt. Hij inspecteert een detector ter grootte van een huis, gebouwd om enkele van de meest ongrijpbare deeltjes te vangen die bekend zijn in de natuurkunde: neutrino's.

Dit is het SNO+-neutrino-experiment, diep begraven in de Creighton-mijn bij Snolab, een ondergronds natuurkundelaboratorium in Sudbury, Canada. SNO+ bestaat uit een acrylsfeer bekleed met bijna 10.000 gevoelige lichtdetectoren en gevuld met 780 ton vloeibare scintillator-olie, die flitst wanneer deze wordt verlicht door energetische deeltjes. Het water rond het apparaat en het gesteente erboven schermen de detector af van de schittering van kosmische straling, waardoor de flikkeringen van minder voorkomende deeltjesinteracties zichtbaar worden.

Onze hele afdaling maakte deel uit van een strijd om absolute duisternis te behouden, zelfs buiten het zichtbare lichtspectrum. Terwijl we door de hoofdschacht afdaalden en door een rotsachtige tunnel naar het laboratorium liepen, verzamelden ons lichaam en onze kleding minimale hoeveelheden radioactief radonstof. Voordat we de hoofdruimte van het laboratorium betraden, gooiden we onze mijnkleding weg, douchten we en trokken we elektrisch blauwe jumpsuits en haarnetjes aan om de besmetting die we met ons meebrachten te minimaliseren. "De douches zijn niet voor jou," zei Depatie terwijl we uns omkleedden, "ze zijn voor de wetenschap."

Bijschrift: Matt Depatie (links) helpt bij het onderhoud van de SNO+-detector, die componenten hergebruikt van het SNO-experiment dat liep van 1999 tot 2006. (Foto: James Dinneen)

Dergelijke extremen zijn noodzakelijk wanneer je probeert "geesten" te vangen — in dit geval geesten die kunnen helpen de geheimen te ontsluieren van ontoegankelijke regio's diep in de aarde.

Een radioactieve planeet

Neutrino's zijn de meest voorkomende van alle deeltjes met massa. Maar die massa is minuscuul: slechts een miljoenste van de massa van een elektron. Met zo weinig gewicht en een neutrale elektromagnetische lading hebben de deeltjes bijna nooit interactie met andere materie. Biljoenen neutrino's — voornamelijk die geproduceerd worden in de zon — passeren elke seconde ons lichaam, maar na jaren van jagen met detectoren zoals SNO+, hebben onderzoekers slechts enkele honderdduizenden van hun kostbare flitsen gevangen.

Nog ongrijpbaarder zijn geoneutrino's; na decennia van zoeken hebben wetenschappers er slechts enkele honderden gedetecteerd.

Geoneutrino's worden geproduceerd in processen die het binnenste van de planeet verwarmen. Deze warmte speelt een belangrijke rol bij het aandrijven van de stroom van gesteente in de mantel, wat alles vormt van plaattektoniek tot het magnetische veld van de aarde. Deze warmte komt uit twee hoofdbronnen: restwarmte uit de vorming van de planeet en warmte geproduceerd door het verval van uranium, thorium en kalium in de gesteenten van de mantel en de korst. Zonder deze tweede bron zou de aarde allang afgekoeld zijn en een tektonisch dode planeet zijn geworden.

Bijschrift: Het SNO+-experiment bevindt zich diep ondergronds, afgeschermd van kosmische straling onder twee kilometer gesteente. (Bron: Leo Duquette/SNOLAB)

Door geoneutrino's te tellen, kunnen natuurkundigen een directe meting krijgen van de vitale warmteproducerende elementen van de aarde. "Het is het enige dat we doen dat zich richt op de aarde," zegt Ryan Bayes, een astrofyisicus aan Queen's University in Ontario die aan SNO+ werkt. "Alles wat we anders doen is meer gericht op wat we ontvangen van andere plaatsen in het universum."

De eerste detectie van geoneutrino's werd in 2005 gerapporteerd door een instrument in Japan genaamd Kamland. In 2009 rapporteerde de Borexino-detector in Italië dat hij er enkele tientallen meer had gevangen. In november 2025 rapporteerde SNO+ zijn eerste detectie, waarmee het aantal waargenomen geoneutrino's met ongeveer 50 toenam.

Wat de detecties bij SNO+ bijzonder maakt, is de locatie van het experiment: dit zijn de eerste geoneutrino's die in het westelijk halfrond zijn gemeten, wat een nieuw perspectief biedt op het radioactieve binnenste van de aarde.

Er blijven grote onzekerheden bestaan bij de interpretatie van de resultaten, maar de beste schattingen van onderzoekers suggereren dat elke locatie een verschillende flux meet. "Het zou kunnen dat dit de eerste aanwijzing is dat de mantel niet uniform is," zegt Mark Chen, astrofyisicus aan Queen's University en directeur van de SNO+-samenwerking.

Geochemici zijn er traditioneel van uitgegaan dat radioactieve elementen gelijkmatig over de mantel zijn verdeeld, omdat het stromende gesteente alles zou moeten mengen. Maar de metingen van geoneutrino's op verschillende locaties zouden kunnen hinten dat dit niet het geval is.

De regio's die de meeste geoneutrino's lijken te produceren, bevinden zich ruwweg boven continent-grote bollen van anomalisch warm en dicht materiaal, bekend als large low-shear-velocity provinces (LLSVPs), die seismologen aan weerszijden van de kern in kaart hebben gebracht. Eén bevindt zich onder Afrika, de andere onder de Grote Oceaan. "Er kunnen structuren in de diepe aarde in de mantel zijn die niet begrepen worden," zegt Chen. "Het zou kunnen dat [ze] bepaalde soorten elementen concentreren."

Neutrino's zouden op een dag nieuw inzicht kunnen bieden in de nog mysterieuze oorsprong van deze diepe structuren en, breder gezien, in de patronen in de mantel die ten grondslag liggen aan veel aspecten van het aardesysteem. "Het zou echt een manier zijn om een chemische kaart van het binnenste van de aarde te maken," zegt William McDonough, een geochemicus aan de Chinese Academy of Sciences.

Het vangen van geoneutrino's

De openstaande vraag is of de metingen van geoneutrino's verschillen onthullen tussen de gebieden van de mantel onder elk experiment, of dat de onbalans voortkomt uit de manier waarop de verschillende experimenten hun geoneutrino's tellen. Onderzoekers zeggen dat er nog zoveel onzekerheid is dat het onmogelijk is om hier een uitspraak over te doen.

"Als we het voor waar aannemen, zouden we kunnen zeggen dat het westelijk halfrond misschien veel meer radioactief materiaal bevat dan het oostelijk halfrond," zegt McDonough. Maar er zijn redenen om voorzichtig te zijn met deze schattingen. "Hebbben de Italianen gelijk? Hebben de Japanners gelijk? Hebben ze allebei gelijk? Of klopt er iets niet?"

Bijschrift: Het Borexino-experiment, gelegen in het Gran Sasso National Laboratory in Italië, was primair ontworpen om neutrino's van de zon te bestuderen. (Bron: Volker Steger/LNGS-INFN)

De onzekerheden die gepaard gaan met de resultaten van elke detector komen voort uit het sorteerproces dat natuurkundigen doorlopen om geoneutrino's te identificeren, zegt Bayes. "Ze verschijnen niet gewoon en zeggen: 'Hoi, ik ben een geoneutrino.'"

Wetenschappers moeten signalen elimineren van deeltjes met te veel energie, deeltjes met de verkeerde maat van een eigenschap genaamd heliciteit, en deeltjes die zij verwachten te zien stromen vanuit kernreactoren. Ze moeten ook geoneutrino's elimineren die afkomstig zijn uit de aardkorst, waarbij de grootste bijdrage komt uit het gebied binnen enkele honderden kilometers van de detector. Wanneer deze andere detecties worden afgetrokken van het totale aantal, zou het geoneutrinosignaal uit de mantel het enige moeten zijn dat overblijft.

In algemene termen lijkt de flux van geoneutrino's uit de mantel zeer hoog te zijn bij Borexino en zeer laag bij Kamland, hoewel de onzekerheden groot zijn. Een gedetailleerde geologische interpretatie van de SNO+-resultaten is nog in uitvoering, zegt Chen, maar tot nu toe zien wetenschappers een "vrij gemiddelde" mantel onder Canada.

Een specifieke uitdaging voor SNO+-wetenschappers is het begrijpen van de neutrino's die afkomstig zijn uit de omgeving van de detector, inclusief een bekken dat 1,8 miljard jaar geleden werd gevormd door een gigantische inslag. "Er zijn veel onbekenden in dit geologische gebied," zegt Virginia Strati, een onderzoeker aan de Universiteit van Ferrara in Italië die hielp bij het ontwikkelen van een lokaal model van radioactiviteit voor Snolab.

Bijschrift: De 20-kiloton JUNO-detector begon met zijn operationele fase in augustus 2025. Naast het vangen van geoneutrino's bestudeert hij deeltjes die streamen vanuit de kerncentrales van Taishan en Yangjiang. (Bron: JUNO Collaboration)

Onzekerheid komt ook voort uit schattingen van de totale hoeveelheid radioactief materiaal die de mantel verwarmt. De flux van geoneutrino's suggereert dat deze elementen overal tussen een klein percentage tot de helft van de warmte zouden kunnen bijdragen — een verschil dat gelijkstaat aan de output van tienduizenden kerncentrales.

Beide bronnen van onzekerheid maken het nog moeilijker om eventuele verschillen in de chemische samenstelling van specifieke secties van de mantel te detecteren. Het verschil in de geoneutrinoflux die wordt verwacht bij verschillende verdelingen van radioactieve elementen "is zeer klein en verborgen in deze onzekerheden," zegt Strati.

Toekomstige flux

De detectie bij SNO+ komt op een spannend moment voor het geoneutrino-onderzoek: JUNO, een ander enorm neutrino-experiment dat momenteel gegevens verzamelt in China, zal naar verwachting later dit jaar zijn eerste geoneutrinoflux rapporteren, wat een vierde en aanzienlijk rijker beeld toevoegt. Met meer dan 20.000 ton scintillator is het experiment — begraven onder een berg nabij de stad Guangzhou — zo groot dat het naar verwachting in het eerste jaar meer geoneutrino's zal detecteren dan de gecombineerde output van Kamland, Borexino en SNO+ over decennia.

Duidelijkere schattingen van de geoneutrinoflux bij elk experiment zouden kunnen voortkomen uit gedetailleerdere geologische gegevens, evenals verdere geoneutrino-tellingen op elke locatie. McDonough zegt echter dat het beste zou zijn om een neutrinodetector op de bodem van de oceaan te bouwen. Dit is een idee waar hij al decennia voor pleit.

Zo'n detector zou ver verwijderd zijn van continentale gesteenten, die rijk zijn aan radioactieve elementen; de oceanische korst is bovendien dunner en uniformer. De onzekerheden gerelateerd aan de korst nemen zo sterk af dat "je in territorium bent waar alleen de mantel telt," zegt hij.

Het idee van een detector op de oceaanbodem, met geschatte kosten van honderden miljoenen dollars, heeft tot nu toe weinig steun gekregen van overheidsfinanciers. Maar McDonough hoopt dat hij iets kan realiseren in China, waar groen licht is gegeven voor andere grote geowetenschappelijke projecten. "Het is zeer mogelijk," zegt hij. Tot die tijd zullen natuurkundigen diep onder de grond blijven zoeken naar antwoorden.