Investigadors de l'Institut de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-Universitat de València) i de la Universitat de Barcelona publiquen avui en Nature Physics la primera tomografia de la Terra utilitzant neutrins. Aquesta partícula elemental, una de les més abundants de l'Univers, és capaç de travessar el planeta sense immutar-se, per la qual cosa pot aportar valuosa informació sobre la distribució de la seua densitat, especialment de zones poc conegudes com el nucli intern. Els científics han utilitzat també per primera vegada neutrins per a mesurar altres propietats de la Terra, com la seua massa, obtenint resultats concordes amb els tradicionals mètodes geofísics. L'estudi utilitza dades de l'experiment IceCube, el major telescopi de neutrins del món situat en l'Antàrtida.

Els neutrins són les úniques partícules conegudes que poden travessar la Terra. Açò és possible perquè interactuen molt poc amb la matèria ordinària, la que veiem en l'Univers i que compon el nostre planeta i a nosaltres mateixos. Per això es diu que el neutrí és la ‘partícula fantasma’, i es requereixen enormes detectors per a atrapar-los. IceCube utilitza un quilòmetre cúbic del gel del Polo Sud per a capturar els neutrins amb més energia que es coneixen, alguns dels quals procedeixen dels fenòmens més extrems del cosmos, com ara forats negres o supernoves.

Els neutrins que tenen més energia són parcialment absorbits pels materials que componen la Terra, en una proporció ja establida per la col·laboració científica internacional que opera l'experiment IceCube. Ara, els investigadors de l'Institut de Física Corpuscular Andrea Donini, Sergio Palomares i Jordi Salvadó, aquest actualment en el Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB), han relacionat aquestes taxes d'absorció amb aproximadament 20.000 neutrins d'alta energia produïts pel xoc de rajos còsmics en l'atmosfera, coneguts com neutrins atmosfèrics, detectats per IceCube l’any 2011. Amb ells han elaborat el primer estudi de la densitat del planeta utilitzant aquesta partícula elemental.

“L'ús de neutrins atmosfèrics ens permet disposar de neutrins provinents de totes direccions, amb un ampli rang d'energia i un flux conegut amb bastant precisió. La quantitat d'absorció del flux de neutrins atmosfèrics depèn tant de la quantitat de material travessat com de l'energia dels neutrins, de manera que, estudiant la variació de la quantitat d'absorció en diferents direccions per a neutrins de diferent energia, podem determinar la distribució de densitat de la Terra”, explica Sergio Palomares, investigador Ramón y Cajal del CSIC en l'Institut de Física Corpuscular.

La densitat de la Terra es calcula tradicionalment mesurant la velocitat de propagació d'ones sísmiques produïdes per terratrèmols. Aquestes dades componen els models geofísics que estableixen valors per a la densitat, elasticitat, pressió o gravetat del nostre planeta. Encara que aquest mètode disposa de moltes dades (cada any es produeixen uns 100.000 terratrèmols ‘útils’ per al seu estudi), les ones sísmiques reboten en la superfície que separa el nucli intern (sòlid) i nucli extern (líquid). “Els neutrins en canvi ho travessen tot, oferint valuosa informació sobre el desconegut nucli de la Terra, on es genera el magnetisme del planeta”, assegura Andrea Donini, Investigador Científic del CSIC a l’IFIC.

La idea d'utilitzar neutrins per a estudiar l'interior del planeta no és nova. Fa quasi mig segle es va plantejar un mètode per a realitzar-ho mitjançant neutrins creats en acceleradors de partícules. Recentment, una tècnica similar es va emprar per a descobrir una sala oculta a l'interior de la piràmide de Kheops usant muons atmosfèrics, uns ‘parents’ del neutrí. Però fins a la posada en marxa d’IceCube en 2010 no existia un instrument capaç de detectar neutrins d'alta energia que travessen la Terra a bastament per a dur a terme aquest estudi.

El treball publicat avui mostra com es poden emprar els neutrins per a estudiar l'estructura de l'interior del planeta, però les dades utilitzades són encara escasses per a competir en precisió amb altres tècniques geofísiques. Els investigadors esperen accedir al conjunt de dades obtingut per la col·laboració IceCube des de 2011 fins ara, la qual cosa millorarà la precisió dels resultats, tant en el mantell com en el nucli terrestre. I les perspectives per a aquesta nova tècnica milloren amb l'entrada en joc de KM3NeT, un nou telescopi de neutrins que es construeix en el Mediterrani, on l’IFIC lidera la participació espanyola. Amb aquest nou experiment es detectaran neutrins en tots dos hemisferis, possibilitant una imatge més precisa de l'interior de la Terra utilitzant aquesta elusiva partícula.

“Neutrino tomography of Earth”, Donini, A.; Palomares, S.; Salvadó, J.; Nature Physics (2018)

DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-018-0319-1