Ciências da Terra

Geoneutrinos: como antineutrinos vindos do interior da Terra ajudam a medir o calor da radioatividade

Publicado em 12/10/2026 · Última alteração em 12/10/2026

Urânio e tório no interior da Terra emitem antineutrinos ao decair, e detectores subterrâneos como o KamLAND (Japão) e o Borexino (Itália) captam alguns deles. A contagem indica quanto desses elementos existe sob nossos pés e, portanto, quanto calor eles geram. Os resultados atuais ainda divergem: cerca de 15 TW no KamLAND e cerca de 38 TW no Borexino, de um fluxo de calor de superfície de cerca de 47 TW, ambos com incerteza grande.

Antineutrinos são partículas sem carga elétrica que quase não interagem com a matéria: atravessam a Terra inteira sem desvio apreciável. Urânio-238, tório-232 e potássio-40 são isótopos radioativos presentes nas rochas; ao decair, liberam calor e, por decaimento beta, emitem antineutrinos. O calor que sai pela superfície do planeta soma cerca de 47 TW (terawatts, 10^12 watts). Parte vem do decaimento radioativo (calor radiogênico) e parte é calor guardado desde a formação da Terra (primordial). Como os antineutrinos escapam do interior, contá-los é uma medida direta da quantidade de urânio e tório lá dentro, enquanto as estimativas da geofísica e da geoquímica são indiretas e têm incertezas grandes.

Um acidente que ajudou a medida

O KamLAND foi feito para estudar antineutrinos de reatores, que também são o maior ruído para os geoneutrinos. Depois do acidente de Fukushima-I, em 2011, os reatores japoneses ficaram parados por longo tempo e o fundo de ruído caiu.

De onde vem um geoneutrino

Urânio-238, urânio-235, tório-232 e potássio-40 decaem em cadeias de passos, e muitos passos são decaimentos beta, que emitem um antineutrino de elétron. Esse antineutrino deixa a rocha sem interagir e escapa do planeta, levando parte da energia. O restante vira calor nas rochas. Os modelos de composição da Terra estimam cerca de 8 TW do urânio-238 e 8 TW do tório-232, além de 4 TW do potássio-40, perto de metade do fluxo de superfície de 47 TW.

Contar eventos raros num tanque no subsolo

Um antineutrino quase nunca reage, então os detectores usam centenas de toneladas de líquido e esperam anos. O KamLAND tem 1 quilotonelada de líquido sob cerca de 2.700 m de água equivalente; o Borexino, 280 toneladas, no Gran Sasso. A reação com o hidrogênio dá dois sinais ligados no tempo, e essa coincidência separa os candidatos do ruído. Mesmo assim, o resultado é uma contagem de dezenas a poucas centenas de eventos em cerca de uma década ou mais.

Da contagem ao calor: o passo que depende de modelo

O detector soma geoneutrinos de toda a Terra, e os da crosta próxima pesam muito. Para chegar ao manto, é preciso subtrair a crosta, estimada por geologia e geoquímica. Depois, converte-se o sinal em calor supondo uma distribuição de urânio e tório: uniforme ou concentrada acima do núcleo. Os dois extremos mudam a conversão. Por isso a incerteza do calor radiogênico é bem maior que a da contagem de eventos.

O que já se sabe e o que falta

O KamLAND estimou cerca de 14,6 TW e o Borexino, cerca de 38 TW de calor radiogênico total, com margens grandes. Os dois excluem os extremos: o KamLAND descarta a Terra totalmente radiogênica a 5,2 sigma, supondo manto homogêneo, e o Borexino limita um georreator. Falta convergir entre os experimentos. O KamLAND sugere detectores em locais oceânicos, onde a crosta é fina, e novas técnicas para enxergar o potássio-40.

Como sabemos

O método e os resultados dos dois experimentos estão em artigos de pesquisa lidos, mas o valor do calor radiogênico depende de modelos e ainda tem incerteza grande.

Em debate: Quanto do calor da Terra é radiogênico segue em debate: o KamLAND (2022) favorece valores baixos a médios e o Borexino (2020) favorece os mais altos, ambos com incertezas grandes. Os modelos de composição (Low-Q, Middle-Q, High-Q) também divergem entre si, e o resultado depende do modelo da crosta local.

• Estimativa: O fluxo de calor que sai da superfície da Terra é estimado em cerca de 47 TW (± 2 TW). Dentro desse total, modelos químicos e físicos da Terra preveem, juntos, entre 14 e 46 TW de potência radioativa, uma faixa muito larga. [2] Seção 2 (Why study geoneutrinos) [3] Abstract
  Contexto: Estimativa global do fluxo de calor de superfície; a faixa de 14 a 46 TW é a dos modelos citados por Dye (2012), anterior às medidas mais recentes. · Limitações: O valor de 47 TW é uma adoção dos autores do Borexino entre estimativas de 41 a 47 TW, e um estudo baseado só em medições diretas dá valor bem menor (31 TW). · Conferida na fonte (texto integral), conferência automatizada
• Estimativa: A decomposição dos isótopos primordiais urânio-238, urânio-235, tório-232 e potássio-40 contribui para o orçamento de calor da Terra. Alguns desses decaimentos produzem antineutrinos, chamados geoneutrinos. Os modelos de composição da Terra silicática estimam cerca de 8 TW da série do urânio-238, 0,3 TW da do urânio-235, 8 TW da do tório-232 e 4 TW do potássio-40, quase metade do fluxo de calor total. [1] Seção 2
  Contexto: BSE (Bulk Silicate Earth) é o modelo de composição de crosta mais manto; os números são previsões do modelo, não medidas. · Limitações: O valor do potássio-40 tem incerteza maior porque esse elemento é volátil e sua abundância na Terra é a menos certa. · Conferida na fonte (texto integral), conferência automatizada
• Fato estabelecido: A primeira detecção de antineutrinos produzidos por decaimentos dentro da Terra foi publicada pelo KamLAND (Japão) em 2005, e o Borexino (Itália) confirmou a detecção em 2010. [1] Seção 1 (Introduction)
  Contexto: Datas e autoria citadas pelo artigo KamLAND de 2022 (segundo f1, o trabalho de 2005 é de Araki et al. e o de 2010, de Bellini et al.); não lemos os dois artigos originais. · Limitações: Fonte de segunda mão para as datas de 2005 e 2010. · Conferida na fonte (texto integral), conferência automatizada
• Fato estabelecido: Os geoneutrinos atravessam enormes quantidades de matéria quase sem desvio nem absorção, e por isso saem do interior da Terra. Para detectá-los usa-se a reação beta inversa em hidrogênio do líquido cintilador, que só ocorre acima de 1,806 MeV de energia do antineutrino. Por isso os geoneutrinos do potássio-40 e do urânio-235 ficam fora do alcance dos detectores atuais. [2] Seção 1 (Introduction) [3] Seção 2
  Contexto: Vale para detectores de líquido cintilador (KamLAND e Borexino), baseados em reação beta inversa; é o único canal hoje disponível para antineutrinos de poucos MeV. · Limitações: Novas técnicas de detecção seriam necessárias para o potássio-40. · Conferida na fonte (texto integral), conferência automatizada
• Fato estabelecido: Cada evento aparece como dois sinais em sequência: um pósitron e, cerca de 250 microssegundos depois, a captura do nêutron produzido, que emite um raio gama de 2,22 MeV. Essa coincidência atrasada elimina grande parte do ruído. Durante a captura, a memória de direção do antineutrino se perde, então o detector mede a energia, mas não de onde ele veio. [2] Seção 4
  Contexto: Descreve o Borexino; o KamLAND usa o mesmo princípio de coincidência entre o sinal do pósitron e a captura do nêutron cerca de 200 microssegundos depois. · Conferida na fonte (texto integral), conferência automatizada
• Fato estabelecido: O sinal é medido em TNU (Terrestrial Neutrino Unit, unidade de neutrino terrestre): 1 TNU equivale a 1 evento de antineutrino por ano num detector de eficiência 100% com 10^32 prótons livres, algo como 1 quilotonelada de líquido cintilador. [2] Seção 5 (Expected antineutrino signal)
  Contexto: O trecho original grafa 10^32 como 1032 (potência perdida na extração do PDF). · Limitações: A equivalência com 1 quilotonelada é aproximada, segundo a própria fonte. · Conferida na fonte (texto integral), conferência automatizada
• Fato estabelecido: O KamLAND fica na mina de Kamioka, sob o monte Ikenoyama, a cerca de 2.700 m de água equivalente, e usa 1 quilotonelada de líquido cintilador ultrapuro. O Borexino, no Gran Sasso, usa 280 toneladas e analisou 3.262,74 dias de dados, entre dezembro de 2007 e abril de 2019. [1] Seção 3 [2] Abstract
  Contexto: O volume de líquido de 1 quilotonelada refere-se ao interior do balão; a análise usa um volume fiducial menor. · Conferida na fonte (texto integral), conferência automatizada
• Fato estabelecido: Os antineutrinos de reatores nucleares são o maior ruído da medida de geoneutrinos, porque ocupam a mesma faixa de energia. Após o acidente de Fukushima-I (março de 2011) e a parada prolongada dos reatores japoneses, o KamLAND passou a ter um período de cerca de 8 anos quase sem reatores, que melhorou a medida. [1] Abstract
  Contexto: Aplica-se ao KamLAND, no Japão. O texto afirma que o ruído de reatores é o de maior impacto. · Conferida na fonte (texto integral), conferência automatizada
• Interpretação: Do fluxo de geoneutrinos ao calor do manto há um passo que depende de modelo: é preciso subtrair a parte vinda da crosta, calculada com um modelo da crosta. Também é preciso supor como urânio e tório se distribuem no manto. Duas hipóteses extremas são o manto uniforme e uma camada rica logo acima do núcleo. A incerteza sobre a crosta é a principal fonte de erro para a parte do manto. [1] Seção 5 (Summary) [2]
  Contexto: Método do KamLAND; o Borexino faz algo equivalente (ver f2, seção 11.5) com modelo da crosta local. · Limitações: Supõe urânio e tório ausentes no núcleo, como assumem ambos os trabalhos. A fonte usa modelos simples de distribuição. · Conferida na fonte (texto integral), conferência automatizada
• Fato estabelecido: Os detectores atuais não enxergam o potássio-40, que contribui com um pouco do calor radiogênico. Seu valor entra na conta por estimativa geoquímica independente (cerca de 4 TW no cálculo do KamLAND), e não por medida de geoneutrinos. [1] Seção 4
  Contexto: Válido para os detectores de líquido cintilador existentes. · Conferida na fonte (texto integral), conferência automatizada
• Estimativa: Com 5.227 dias de dados (2002 a 2020), o KamLAND estimou o calor radiogênico total da Terra em cerca de 14,6 TW no modelo de referência, perto de 31% dos 47 TW de fluxo de superfície. O resultado é compatível com modelos de composição que preveem calor radiogênico baixo a médio e desfavorece o modelo de calor alto (High-Q) com 99,76% de nível de confiança, supondo manto homogêneo. [1] Plain Language Summary
  Contexto: KamLAND, Japão; modelo de referência de crosta de Enomoto et al. (2007). Com um modelo mais recente de crosta, os valores do artigo sobem. · Limitações: A fração de 31% é cálculo nosso (14,6/47). O trecho do valor de 14,6 TW é lido na fonte como «~ 14.6 TW using the reference model». O artigo usado é um manuscrito (preprint arXiv v2, 2022) da versão publicada na Geophysical Research Letters. Depende do modelo de crosta e da hipótese de distribuição no manto. · Conferida na fonte (texto integral), conferência automatizada
• Estimativa: O Borexino estimou o calor radiogênico total da Terra em cerca de 38,2 TW, com margem grande, compatível com vários modelos geológicos. O resultado favorece os modelos de maior concentração de elementos produtores de calor, e fica a cerca de 2,4 sigma de tensão com os de menor concentração. Os próprios autores dizem que são necessárias medidas adicionais e mais precisas. [2] Seção 12
  Contexto: Borexino, Itália, dados de 2007 a 2019. A conversão do sinal do manto em calor usa vários cenários de distribuição de urânio e tório e inclui 18% de potássio-40 estimado. · Limitações: O resultado combina medida e modelo; os autores afirmam que nenhum modelo pode ser excluído a 3 sigma. A incerteza (cerca de ±13 TW no valor central) vem do resumo da fonte e não foi copiada literalmente aqui. · Conferida na fonte (texto integral), conferência automatizada
• Incerto: Os dois experimentos ainda não convergem sobre quais modelos preferem: o KamLAND favorece valores baixos a médios de calor radiogênico e desfavorece o alto, enquanto o Borexino tende aos mais altos. A diferença pode vir de incertezas estatísticas, de modelos de crosta diferentes em cada local e de hipóteses sobre o manto; hoje não há explicação única estabelecida. [1] Seção 4 [2] Seção 12
  Contexto: Comparação feita por nós a partir das duas conclusões; nenhum dos dois artigos faz essa comparação direta. · Limitações: As causas listadas são hipóteses nossas, apoiadas em f1 e f2 apenas quanto ao peso do modelo de crosta; não há teste publicado que isole a causa. · As faixas de incerteza dos dois resultados são grandes, e a discordância não foi quantificada por nós. · Conferida em parte (texto integral), conferência automatizada
• Fato estabelecido: Medidas de geoneutrinos também limitam a hipótese de um reator nuclear natural (georreator) no interior da Terra: o KamLAND dá limite de potência menor que 1,26 TW, a 90% de confiança, e o Borexino exclui potências acima de 2,4 TW no centro da Terra, a 95%. [1] Seção 3 [2] Seção 12
  Contexto: O georreator é uma hipótese minoritária; os limites valem para as suposições de cada análise (localização e composição do combustível). · Limitações: O limite do Borexino é para um georreator no centro da Terra. · Conferida na fonte (texto integral), conferência automatizada

Fontes

1. Geophysical Research Letters (preprint arXiv 2205.14934) — Abundances of uranium and thorium elements in Earth estimated by geoneutrino spectroscopy
   Abe, S. et al. (KamLAND Collaboration) · 2022 · Artigo científico original · lida na íntegra · consultada em 12/10/2026 DOI 10.1029/2022GL099566
2. Physical Review D 101, 012009 (preprint arXiv 1909.02257) — Comprehensive geoneutrino analysis with Borexino
   Agostini, M. et al. (Borexino Collaboration) · 2020 · Artigo científico original · lida na íntegra · consultada em 12/10/2026 DOI 10.1103/PhysRevD.101.012009
3. Reviews of Geophysics (preprint arXiv 1111.6099) — Geoneutrinos and the radioactive power of the Earth
   Dye, S. T. · 2012 · Revisão ou síntese científica · lida na íntegra · consultada em 12/10/2026 DOI 10.1029/2012RG000400

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