Escaneando la Tierra con neutrinos solares

Esquema del experimento DUNE

El Sol bombardea la Tierra con neutrinos, un bombardeo que no desaparece para los detectores en la superficie del planeta (en este caso superficie incluye unos pocos kilómetros de profundidad) cuando se oculta a la vista. Por la noche, los neutrinos solares atraviesan la Tierra, impactando en los detectores desde abajo. Al igual que los rayos X en un escáner médico, estos neutrinos que atraviesan el planeta podrían ofrecer información sobre el material por el que pasan. Nuevos cálculos teóricos indican que futuras instalaciones, como el Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), podrían caracterizar las diferentes capas existentes en el interior de la Tierra con la tomografía basada en neutrinos.

Los neutrinos son unas partículas subatómicas que, como su nombre indica, son neutras y tienen una masa inconcebiblemente pequeña, pero no cero. Al no tener carga no interaccionan con los campos electromagnéticos, pero sí con la fuerza nuclear débil, que es de cortísimo alcance, y con la gravedad, que tiene unos efectos muy pequeños a escala subatómica. Por estos dos motivos los neutrinos son capaces de atravesar la materia sin ser perturbados ni perturbarla (casi nunca): en estos momentos, apreciado lector, tu cuerpo está siendo atravesado por millones de ellos.

Los neutrinos habituales pueden tener tres “sabores” (electrónico, muónico y tauónico) definidos en el momento de ser creados o detectados, pero durante su propagación por el espacio pueden oscilar entre los tres sabores.

Los primeros experimentos con neutrinos solares, que datan de los años sesenta, descubrieron un déficit de la tasa de detección que más tarde se atribuyó a los neutrinos que se convertían de un sabor a otro. Estos estudios también encontraron pruebas de una asimetría día-noche, en la que la tasa de neutrinos de alta energía era un poco más alta durante la noche. La explicación es que los neutrinos nocturnos interactúan débilmente con la materia a medida que pasan a través de la Tierra, y esto hace que algunos de ellos se conviertan en neutrinos electrónicos, que es el sabor al que los detectores son más sensibles.

La estructura interna de la Tierra podría tener ocho capas.

Las interacciones neutrino-materia dependen de la densidad del material, por lo que ciertas trayectorias a través de la Tierra deben producir un mayor exceso nocturno que otras. Ara Ioannisian, del Instituto de Física de Yerevan (Armenia), y sus colegas han calculado la tasa de neutrinos de alta energía utilizando un modelo de ocho capas de la Tierra en el que la densidad aumenta abruptamente en los límites entre capas. Estos “saltos” de densidad, especialmente los próximos a la superficie, tienen un efecto significativo sobre la señal nocturna. Los investigadores muestran, por ejemplo, que el exceso nocturno debe disminuir ligeramente cada vez que el Sol se encuentra a 10 grados bajo el horizonte (es decir, después del atardecer y antes del amanecer). Esta señal de inmersión, que ofrecería confirmación del modelo de capas, podría ser detectada por el proyecto DUNE, que planea instalar un detector de 40 kilotones en Dakota del Sur para 2027.

De confirmarse el modelo experimentalmente, tendríamos una forma de caracterizar el interior de nuestro planeta que complementaría los estudios con ondas sísmicas, proporcionando así un conocimiento sin precedentes no ya de su estructura sino de su evolución y de la del propio Sistema Solar.

Referencia:

A. N. Ioannisian, A. Yu. Smirnov, and D. Wyler (2017) Scanning the Earth with solar neutrinos and DUNE Physical Review D doi: 10.1103/PhysRevD.96.036005

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

Este texto es una colaboración del Cuaderno de Cultura Científica con Next

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