'Rayos X' de la Tierra con Nutrinos

Imagínese a los astrónomos mirando por un extremo de un telescopio, tratando de crear imágenes del cielo, mientras que los geólogos miran por el otro extremo, mirando a través de una especie de microscopio que puede penetrar en los santuarios más recónditos de la tierra. ¿Suena improbable? Bien, bienvenido al loco mundo de la astronomía de neutrinos, donde abajo es arriba y arriba es abajo y ocasionalmente los dos se encuentran.

Los astrónomos han estado colocando trampas para neutrinos de alta energía en algunos de los lugares más remotos del planeta: muy por debajo del mar Mediterráneo, en el lago Baikal de Siberia y en las profundidades de los casquetes polares del Polo Sur ( ver Cazando al neutrino salvaje , TR abril de 1997 ). Esperan que estas elusivas partículas, con poca o ninguna masa y sin carga eléctrica, revelen secretos sobre los lugares violentos en el espacio profundo de donde provienen: agujeros negros, cuásares y púlsares.

Esta historia fue parte de nuestro número de agosto de 1997

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Ahora, sin embargo, los geólogos esperan usar los neutrinos atrapados por estos detectores para ver si pueden aprender algo sobre la constitución de la Tierra. A pesar de su tamaño infinitesimal y su rapidez (saltando a la velocidad de la luz o cerca de ella), algunos de estos neutrinos se detendrán en seco al chocar contra los átomos del interior de la tierra. Cuanto más densa sea la región, mayor será la probabilidad de que bloquee un neutrino. Al realizar un seguimiento de cuántos neutrinos llegan a los detectores a medida que viajan a través de la tierra, los científicos pueden calcular dónde fueron absorbidos y en qué cantidades para obtener una imagen de la estructura de densidad interna del planeta.

Detectando regiones densas

La tomografía computarizada (TC) médica emplea un enfoque similar. Las máquinas registran la transmisión y absorción de los rayos X a medida que atraviesan el cuerpo humano, lo que permite a los observadores detectar tumores u otras masas. Queremos hacer lo mismo con la tierra, usando neutrinos en lugar de rayos X, explica Raymond Jeanloz, geólogo de la Universidad de California en Berkeley.

La tomografía de neutrinos fue propuesta por primera vez a fines de la década de 1970 por dos físicos, John Learned en la Universidad de Hawai y Hugh Bradner en la Institución Scripps en San Diego. El dúo se dio cuenta de que los neutrinos, producidos como un subproducto de las reacciones que ocurren en el corazón de cada estrella, abundan en el universo. Pero dejaron de lado la idea porque no había ningún medio disponible para capturar las partículas de alta energía cuando alcanzaban y atravesaban la tierra.

Ahora, nuevos observatorios en desarrollo, incluidos AMANDA (la matriz de detectores de neutrinos y muones antárticos), NESTOR (que lleva el nombre del famoso rey griego) frente a la costa de Grecia, el telescopio de neutrinos en el lago Baikal y RICE (el experimento de Radio Ice Cerenkov) -Pronto tendrá la capacidad de detectar las partículas. Con algunas sugerencias de Learned, Chaincy Kuo, un estudiante de posgrado en geología en Berkeley, revivió el concepto en 1994, reuniendo un equipo de geólogos y astrofísicos para desarrollar una estrategia para obtener información sobre la Tierra a partir de datos de neutrinos.

Para comprender cómo se espera que funcione la técnica, suponga que hay una fuente cósmica de neutrinos de alta energía y un detector en la Tierra. A medida que la Tierra gira, los neutrinos, que viajan en línea recta, cortarían diferentes franjas a través del planeta en ruta hacia el detector. Los observadores pudieron anotar la cantidad de neutrinos detectados para cada ruta separada y determinar dónde se absorbían la mayoría. Esa información indicaría dónde estaban las regiones más densas de la tierra.

En realidad, habría muchas fuentes y muchos detectores. Por lo tanto, con el tiempo, la absorción de neutrinos podría medirse a lo largo de una red de líneas que atraviesan todo el planeta. Luego, una computadora podría combinar estas medidas para producir una imagen compuesta de variaciones de densidad.
Las variaciones de densidad son significativas, según Jeanloz, porque impulsan los procesos geológicos a escala global. Las regiones más densas del manto tienden a hundirse, mientras que los materiales menos densos tienden a elevarse. Esta continua agitación subterránea da lugar al movimiento de placas tectónicas, así como a terremotos y volcanes.

Las estimaciones de la densidad de la tierra ahora se basan principalmente en técnicas sismológicas. Después de un terremoto, los científicos pueden medir la velocidad de las ondas sísmicas que viajan a través del suelo hasta una red de sensores: cuanto más denso es el material, más rápido se mueven las ondas. Se obtiene información adicional al estudiar las vibraciones (o zumbidos) del planeta después de un gran terremoto. Sin embargo, a diferencia de la tomografía de neutrinos, la sismología no puede mapear la distribución de la densidad terrestre con alta resolución.

Tesoros enterrados

La tomografía de neutrinos podría eventualmente dar pistas sobre de qué está hecho exactamente el interior de la Tierra. Este conocimiento, a su vez, podría ayudarnos a encontrar varios recursos (agua, petróleo, gas, metales y otros minerales) enterrados debajo de la superficie. George Frichter, físico del Instituto de Investigación Bartol de la Universidad de Delaware, sugiere que la técnica podría incluso decirnos algo sobre el interior de la luna si observamos cómo cambian las mediciones de neutrinos cuando la luna pasa frente al detector terrestre.

Pero la viabilidad de la tomografía de neutrinos todavía depende de una pregunta: ¿Hay suficientes neutrinos de alta energía detectables para que esto funcione? Hawaii's Learned no tiene ninguna duda de que los neutrinos de alta energía son abundantes y están esperando ser capturados. ¿Pero cuántos hay ahí fuera? ¿Y los detectores que estamos construyendo son lo suficientemente grandes?

Para capturar tantos neutrinos como sea posible, Learned es parte de un equipo internacional que planea construir un telescopio de neutrinos de kilómetros cúbicos gigante que sería unas 50 veces más grande que la última generación de instrumentos. La construcción podría comenzar dentro de 5 a 10 años, posiblemente en el sitio de NESTOR en el Mediterráneo. Learned dice que, dado su tamaño, este dispositivo debería tener una capacidad real para realizar tomografías terrestres, no solo mediciones de densidad bruta, sino escaneos de alta resolución.

Un detector tan masivo no sería barato y costaría entre 100 y 200 millones de dólares. En el lado positivo, dice Learned, el rayo de neutrinos en sí es gratuito, producido por aceleradores cósmicos que no están sujetos a los caprichos de las agencias políticas.

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