Exploiting 40K radioactivity to probe the Earth and the environment

Potassium is the 8th most abundant element in Earth’s crust. Among its natural isotopes potassium has a radionuclide, potassium-40 (40K), which has a half-life of more than a billion years, and which had an active role in the development of our planet. During its decays, 40K produces electrons, positrons, photons, neutrinos, and antineutrinos through electron captures, plus and minus beta decays and gamma transitions. A so abundant radionuclide with such a varied decay dynamics offers the possibility to probe the Earth on different spatial scales. While decaying, 40K generates heat. Together with uranium-238 (238U) and thorium-232 (232Th), it is estimated that these radionuclides still produce half of the heat available to the internal processes that regulate the dynamics of our inner planet. Among 40K decay products, antineutrinos are of particular interest for studying our planet. These particles can travel undisturbed for millions of kilometers, making them valuable messengers in the comprehension of the inner Earth. The study of these “geoneutrinos”, produced inside the Earth in the decays of 40K and in the decay chains of 238U and 232Th, allow us to recover information on the composition and on the energy budget of Earth’s mantle. One of the most relevant results of my thesis was the estimation of Earth’s radiogenic heat production from the combination of KamLAND and Borexino experimental results. The measured geoneutrino signal coming from 238U and 232Th decays was analyzed in view of present geochemical models to estimate the total radiogenic heat production of our planet and in turn to derive the complementary heat loss contribution due to secular cooling, providing a global vision on the heat sources which power our planet. Although already posing constraints on the internal heat production of the Earth, current detection techniques do not permit the observation of 40K geoneutrinos, restricting our knowledge on Earth's energetics to model dependent assumptions. I proposed in this work a novel detection method based on the double coincidence offered by the interaction of antineutrinos on 63Cu nuclei. I showed how this technique could be exploited in a 240 ktons detector to enable the 40K geoneutrino detection at 5σ level in 10 years of data taking, possibly permitting to uncover this yet unexplored region of the geoneutrino spectrum. Besides these studies, I wanted to have a concrete impact in the present, focusing on the study and application of gamma spectroscopy techniques to precision agriculture. Agriculture accounts by itself for more than half of global water withdrawals. Improvement of farming practices is thus imperative for a meaningful climate action and for ensuring a sustainable management of water. The photons emitted in 40K gamma transitions can travel for tens of centimeters and meters in matter and air, respectively, and retain precious information on the environment which surround us. In this work, the temporal evolution of the 40K gamma signal measured by a dedicated spectroscopic station installed in a test field was analyzed to indirectly recover soil water content. The dependence of soil’s linear attenuation coefficient on the amount of water stored in the ground was exploited to recover real time insights on soil moisture with a ∼25m footprint. Simultaneously, the analysis of transient increases in the spectral energy window of 214Pb, a radon daughter enriching rainwater, was shown to be effective in discerning rain episodes from irrigation. The capability to measure soil water content at field scale coupled to the ability to distinguish rainwater and irrigation will become increasingly important in the context of a progressively more automated smart agriculture, allowing gamma spectroscopy to fill a still unbridged spatial gap between punctual sensors and satellites.

Il potassio è l'ottavo elemento più abbondante nella crosta terrestre. Tra i suoi isotopi naturali il potassio ha un radionuclide, il potassio-40 (40K), che ha un'emivita di oltre un miliardo di anni e che ha avuto un ruolo attivo nell'evoluzione del nostro pianeta. Nei suoi decadimenti, 40K produce elettroni, positroni, fotoni, neutrini e antineutrini attraverso catture elettroniche, decadimenti beta e transizioni gamma. Un radionuclide così abbondante con una dinamica di decadimento così varia offre la possibilità di sondare la Terra su diverse scale spaziali. Durante il suo decadimento, 40K genera calore. Insieme all'uranio-238 (238U) e al torio-232 (232Th), si stima che questi radionuclidi producano ancora oggi metà del calore a disposizione dei processi interni del nostro pianeta. Tra i prodotti del 40K, gli antineutrini sono di particolare interesse per lo studio del nostro pianeta. Queste particelle possono viaggiare indisturbate per migliaia di chilometri, rendendole preziose messaggere nella comprensione della Terra interna. Lo studio di questi “geoneutrini”, prodotti all'interno della Terra nei decadimenti di 40K e nelle catene di decadimento di 238U e 232Th, permette di recuperare informazioni sulla composizione e sul bilancio energetico del nostro pianeta. In questa tesi, combinando i risultati sperimentali di KamLAND e Borexino, ho stimato la produzione di calore radiogenico del mantello terrestre. Il segnale sperimentale da geoneutrini di 238U e 232Th è stato analizzato alla luce degli attuali modelli geochimici per derivare la produzione di calore radiogenico del nostro pianeta e il contributo complementare dovuto al lento raffreddamento terrestre. Sebbene questi risultati pongano già vincoli all’energetica della Terra, le attuali tecniche di rilevamento non consentono l'osservazione di geoneutrini da 40K, limitando le nostre conoscenze a ipotesi fortemente dipendenti da modelli teorici. In questo lavoro ho proposto un nuovo metodo di rivelazione basato sulla doppia coincidenza offerta dall'interazione di antineutrini su nuclei di 63Cu. Ho mostrato come questa tecnica potrebbe essere sfruttata in un rivelatore da 240 kton per rivelare i geoneutrini da 40K con una significatività di 5σ in 10 anni di acquisizione dati, consentendo di indagare questa regione dello spettro dei geoneutrini ancora inesplorata. Oltre a questi studi, volevo avere un impatto concreto nel presente, concentrandomi sull'applicazione di tecniche di spettroscopia gamma all'agricoltura di precisione. L'agricoltura rappresenta da sola più della metà dei prelievi idrici globali. Un miglioramento delle pratiche agricole è quindi di fondamentale importanza per assicurare una gestione sostenibile dell'acqua. I fotoni emessi nelle transizioni gamma di 40K possono viaggiare per decine di centimetri e metri nel suolo e nell'aria, conservando preziose informazioni sull'ambiente che ci circonda. In questo lavoro l'evoluzione temporale del segnale gamma da 40K misurato da una stazione spettroscopica installata in un campo sperimentale è stata analizzata per recuperare indirettamente il contenuto idrico del suolo. La dipendenza del coefficiente di attenuazione lineare del suolo dalla quantità d’acqua immagazzinata nel terreno è stata sfruttata per stimare in tempo reale l'umidità del suolo con una scala spaziale di 25m. Contemporaneamente, l'analisi della variazione temporale dei conteggi osservati nella finestra energetica del 214Pb, un prodotto del radon che arricchisce l'acqua piovana, si è dimostrata efficace nel discernere gli episodi di pioggia dall'irrigazione. La capacità di misurare il contenuto idrico del suolo su scala di campo unita alla capacità di distinguere l'acqua piovana dall'irrigazione, diventerà sempre più importante nel contesto di un'agricoltura progressivamente più automatizzata, consentendo alla spettroscopia gamma di riempire un divario spaziale ancora aperto tra sensori puntuali e satelliti.