„Prześwietlenie Ziemi” za pomocą Nutrinos

Wyobraź sobie astronomów patrzących w górę jednego końca teleskopu, próbujących stworzyć zdjęcia nieba, podczas gdy geolodzy spoglądają w dół z drugiego końca, patrząc przez rodzaj mikroskopu, który może przeniknąć najgłębsze sanktuaria Ziemi. Brzmi nieprawdopodobnie? Cóż, witaj w zwariowanym świecie astronomii neutrin, gdzie dół to góra, góra to dół, a czasami spotykają się dwoje.

Astronomowie zastawiają pułapki na neutrina wysokoenergetyczne w niektórych bardziej odległych miejscach planety: daleko pod Morzem Śródziemnym, w Syberyjskim jeziorze Bajkał i głęboko w czapach lodowych bieguna południowego ( zobaczyć Polowanie na dzikie neutrino , TR kwiecień 1997 ). Mają nadzieję, że te nieuchwytne cząstki – o niewielkiej masie lub bez ładunku elektrycznego – ujawnią tajemnice dotyczące brutalnych miejsc w przestrzeni kosmicznej, z których przybyły: czarnych dziur, kwazarów i pulsarów.

Ta historia była częścią naszego wydania z sierpnia 1997 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Teraz jednak geolodzy mają nadzieję, że wykorzystają neutrina usidlone przez te detektory, aby sprawdzić, czy mogą dowiedzieć się czegoś o budowie Ziemi. Pomimo ich nieskończenie małych rozmiarów i ulotności (zbliżających się do prędkości światła), niektóre z tych neutrin zatrzymają się na swoich torach, gdy zderzą się z atomami wewnątrz Ziemi. Im gęstszy region, tym większe prawdopodobieństwo, że zablokuje neutrino. Śledząc, ile neutrin dociera do detektorów podczas podróży przez Ziemię, naukowcy mogą obliczyć, gdzie zostały pochłonięte i w jakich ilościach, aby uzyskać obraz wewnętrznej gęstości struktury planety.

Wykrywanie gęstych regionów

Podobnym podejściem jest medyczna tomografia komputerowa (CT). Maszyny rejestrują transmisję i absorpcję promieni rentgenowskich przechodzących przez ludzkie ciało, umożliwiając obserwatorom wykrycie guzów lub innych mas. Chcemy zrobić to samo z Ziemią, używając neutrin zamiast promieni rentgenowskich, wyjaśnia Raymond Jeanloz, geolog z University of California w Berkeley.

Tomografia neutrinowa została po raz pierwszy zaproponowana pod koniec lat 70. przez dwóch fizyków, Johna Learneda z University of Hawaii i Hugh Bradnera z Scripps Institution w San Diego. Duet zdał sobie sprawę, że we wszechświecie jest mnóstwo neutrin, wytwarzanych jako produkt uboczny reakcji zachodzących w sercu każdej gwiazdy. Ale odłożyli ten pomysł na bok, ponieważ nie było dostępnych środków na wychwycenie wysokoenergetycznych cząstek, gdy docierały do ​​Ziemi i przechodziły przez nią.

Obecnie opracowywane są nowe obserwatoria, w tym AMANDA (antarktyczna tablica detektorów mionów i neutrin), NESTOR (nazwany na cześć słynnego greckiego króla) u wybrzeży Grecji, teleskop neutrin na jeziorze Bajkał i RICE (eksperyment radiolodów Cerenkowa) -może wkrótce mieć zdolność wykrywania cząstek. Przy pomocy Learned, Chaincy Kuo, absolwent geologii w Berkeley, ożywił tę koncepcję w 1994 roku, gromadząc zespół geologów i astrofizyków w celu opracowania strategii zbierania informacji o Ziemi z danych neutrinowych.

Aby zrozumieć, jak ta technika ma działać, załóżmy, że na Ziemi istnieje jedno kosmiczne źródło neutrin wysokoenergetycznych i jeden detektor. Gdy Ziemia się obraca, neutrina, które poruszają się po liniach prostych, przecinałyby planetę w drodze do detektora. Obserwatorzy mogli odnotować liczbę neutrin wykrytych dla każdej oddzielnej trasy i określić, gdzie zostało zaabsorbowanych najwięcej. Ta informacja wskazywałaby, gdzie znajdują się najgęstsze regiony ziemi.

W rzeczywistości byłoby wiele źródeł i wiele detektorów. Z czasem więc absorpcję neutrin można było mierzyć wzdłuż sieci linii przecinających całą planetę. Komputer mógłby następnie połączyć te pomiary, aby stworzyć złożony obraz zmian gęstości.
Według Jeanloza wahania gęstości są znaczące, ponieważ napędzają procesy geologiczne w skali globalnej. Gęstsze obszary w płaszczu mają tendencję do opadania, podczas gdy mniej gęste materiały mają tendencję do podnoszenia się. Ta nieustająca podziemna maseczka powoduje ruch płyt tektonicznych, a także trzęsienia ziemi i wulkany.

Szacunki gęstości Ziemi opierają się obecnie głównie na technikach sejsmologicznych. Po trzęsieniu ziemi naukowcy mogą zmierzyć prędkość fal sejsmicznych, które przechodzą przez ziemię do sieci czujników — im gęstszy materiał, tym szybciej poruszają się fale. Dodatkowe informacje pochodzą z badania wibracji (lub dzwonienia) planety po dużym trzęsieniu. Jednak w przeciwieństwie do tomografii neutrinowej sejsmologia nie może odwzorować rozkładu gęstości Ziemi z wysoką rozdzielczością.

Zakopane skarby

Tomografia neutrinowa może w końcu dostarczyć wskazówek, z czego dokładnie zbudowane jest wnętrze Ziemi. Ta wiedza z kolei może pomóc nam znaleźć różne zasoby – wodę, ropę, gaz, metale i inne minerały – zakopane pod powierzchnią. George Frichter, fizyk z Instytutu Badawczego Bartola na Uniwersytecie Delaware, sugeruje, że technika ta może nam nawet powiedzieć coś o wnętrzu księżyca, jeśli zaobserwujemy, jak zmieniają się pomiary neutrin, gdy księżyc przechodzi przed ziemskim detektorem.

Ale wykonalność tomografii neutrin nadal zależy od jednego pytania: czy jest wystarczająco dużo wykrywalnych neutrin o wysokiej energii, aby to zadziałało? Zespół Hawaii's Learned nie ma wątpliwości, że neutrina wysokoenergetyczne są obfite i czekają na złapanie. Ale ile tam jest? Czy detektory, które budujemy, są wystarczająco duże?

Aby uchwycić jak najwięcej neutrin, Learned jest częścią międzynarodowego zespołu, który planuje zbudować gigantyczny, wielokilometrowy teleskop neutrin, który byłby około 50 razy większy niż instrumenty najnowszej generacji. Budowa mogłaby się rozpocząć w ciągu 5 do 10 lat, prawdopodobnie w miejscu NESTOR na Morzu Śródziemnym. Biorąc pod uwagę jego rozmiar, mówi Learned, to urządzenie powinno mieć rzeczywistą zdolność do wykonywania tomografii Ziemi – nie tylko pomiarów gęstości brutto, ale także skanów w wysokiej rozdzielczości.

Tak ogromny detektor nie byłby tani, kosztowałby 100-200 milionów dolarów. Na plus, mówi Learned, sama wiązka neutrin jest wolna, wytwarzana przez kosmiczne akceleratory, które nie podlegają kaprysom agencji politycznych.

ukryć