El interior de la Tierra observado con neutrinos

Los neutrinos atmosféricos son producto de la colisión de rayos cósmicos con núcleos atómicos en la atmósfera. El detector IceCube observa neutrinos que vienen desde abajo, tras atravesar el interior de la Tierra. Para neutrinos muónicos con energías por encima de 1.5 TeV la Tierra no es transparente. Gracias a ello se publica en Nature Physics la primera tomografía de la Tierra comparando el flujo de neutrinos con energías por encima de 1.5 TeV y 2.5 TeV para diferentes ángulos de entrada en el detector. Por ahora el resultado es bastante preliminar, pero permite determinar la masa de la Tierra, su momento de inercia, la masa del núcleo de la Tierra y el cociente entre su densidad y la del manto usando la interacción débil. Un resultado que complementa las medidas sismológicas y los métodos gravimétricos convencionales.

Hay que destacar que este interesante artículo no es producto de la colaboración IceCube, sino de tres jóvenes investigadores afiliados al Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC–Universitat de València, Valencia, España. El artículo es Andrea Donini, Sergio Palomares-Ruiz, Jordi Salvado, “Neutrino tomography of the Earth,” Nature Physics (05 Nov 2018), doi: 10.1038/s41567-018-0319-1arXiv:1803.05901 [hep-ph]. Recomiendo leer en español “Primera tomografía de la Tierra con neutrinos”, Agencia SINC, 06 Nov 2018, donde aparece la fotografía de los tres investigadores. Por cierto, en este blog también puedes leer “Geoneutrinos de Borexino y antineutrinos de reactores nucleares”, LCMF, 08 Jul 2015, y “IceCube mide la absorción de neutrinos ultraenergéticos por el interior de la Tierra”, LCMF, 23 Nov 2017.

Para energías por debajo de 1 TeV, la materia afecta a la oscilación de los neutrinos, efecto MSW (Mikheyev–Smirnov–Wolfenstein). Para energías de varios TeV, la dispersión inelástica con los núcleos atómicos produce una reducción del flujo de neutrinos. La idea de usar este último efecto para realizar una tomografía (radiografía) de la Tierra fue sugerida en octubre de 1973 por Placci y Zavattini, y en 1974 por Volkova y Zatsepin. Para neutrinos con una energía de ~40 TeV, la longitud de absorción en la Tierra es comparable a su diámetro. Por ello, se observan efectos medibles en el flujo de neutrinos con una energía de pocos TeV tras atravesar el interior de la tierra con cierto ángulo.

El detector IceCube ha observado 20 145 muones con energías entre 0.4 y 20 TeV (datos públicos IC86 recopilados durante casi un año (343.7 días) entre 2011 y 2012). Estos muones generados por la colisión de neutrinos muónicos contra núcleos del hielo del kilómetro cúbico del detector, produciendo un cono de radiación Cherenkov que permite determinar su energía y dirección de incidencia (ángulo θz, con cos θz ~ −1 para los neutrinos que atraviesan toda la Tierra desde el Polo Norte y cos θz ~ 0 para los que solo atraviesan la atmósfera en el Polo Sur).

Como muestra la figura se ha dividido la Tierra en cinco capas concéntricas de densidad constante. La curva roja (modelo PREM) representa el perfil de densidad según medidas geofísicas y gravimétricas. Con neutrinos se estima que la masa de la Tierra es Mν⊕ = (6.0+1.6−1.3)×1024 kg, en buen acuerdo con el valor (gravimétrico) actual Mgrav⊕ = (5.9722 ± 0.0006)×1024 kg. La masa del núcleo de la Tierra medida con neutrinos se estima en Mνcore = (2.72+0.97−0.89)×1024 kg, un valor algo mayor que el ~33% de la masa de la Tierra estimado usando modelos geofísicos. El momento de inercia de la Tierra se estima en Iν⊕ = (6.9 ± 2.4)×1037 kg m², comparable a las medidas (gravimétricas) actuales Igrav⊕ = (8.01736 ± 0.00097)×1037 kg m². Además, se estima la diferencia de densidad entre el núcleo y el manto en ρνcore−ρνmantle) = 13.1+5.8−6.3 g/cm³ (lo que implica que la hipótesis de que el núcleo es más denso que el manto tiene un valor-p de 0.011 usando solo neutrinos).

En resumen, un trabajo muy interesante realizado por tres jóvenes físicos afincados en España. Usando todos los datos de la colaboración IceCube se podrán obtener medidas más precisas, pero irán firmadas por toda la colaboración. Conforme la precisión de estas medidas vaya creciendo en los próximos lustros se podrá usar los neutrinos para estimar la contribución de la materia oscura a la masa de la Tierra.



3 Comentarios

  1. Gracias por el artículo. Cuando dices: “Conforme la precisión de estas medidas vaya creciendo en los próximos lustros se podrá usar los neutrinos para estimar la contribución de la materia oscura a la masa de la Tierra.”
    ¿Cómo podrá hacerse tal cosa?
    Gracias y saludos.

    1. Albert, la medida precisa de la masa de la Tierra usando neutrinos solo depende de la materia bariónica; comparándola con las medidas gravitacionales, en las que también influye la materia oscura, se podrá estimar la contribución de esta última. Para ello habrá que usar los futuros detectores de neutrinos (como IceCube-Gen2, KM3NeT, Hyper-Kamiokande, etc.).

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 14 noviembre, 2018
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