De aarde 'röntgenstralen' met Nutrinos

Stel je voor dat astronomen naar het ene uiteinde van een telescoop staren en afbeeldingen van de lucht proberen te maken, terwijl geologen aan het andere uiteinde naar beneden turen en door een soort microscoop kijken die de binnenste heiligdommen van de aarde kan binnendringen. Klinkt onwaarschijnlijk? Welkom in de maffe wereld van de neutrino-astronomie, waar beneden boven is en boven beneden en af ​​en toe ontmoeten de twee elkaar.

Astronomen hebben vallen voor hoogenergetische neutrino's gelegd op enkele van de meer afgelegen plekken op aarde: ver onder de Middellandse Zee, in het Baikalmeer in Siberië en diep in de ijskappen van de Zuidpool ( zien Jagen op de wilde neutrino , TR april 1997 ). Ze hopen dat deze ongrijpbare deeltjes - met weinig of geen massa en geen elektrische lading - geheimen zullen onthullen over de gewelddadige plekken in de verre ruimte waar ze vandaan kwamen: zwarte gaten, quasars en pulsars.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van augustus 1997

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Nu hopen geologen echter de neutrino's te gebruiken die door deze detectoren zijn verstrikt om te zien of ze iets kunnen leren over de samenstelling van de aarde. Ondanks hun oneindig kleine omvang en vluchtigheid (begrenzend met of in de buurt van de snelheid van het licht), zullen sommige van deze neutrino's in hun spoor worden gestopt als ze tegen atomen in de aarde botsen. Hoe dichter het gebied, hoe groter de kans dat het een neutrino blokkeert. Door bij te houden hoeveel neutrino's de detectoren bereiken terwijl ze door de aarde reizen, kunnen wetenschappers berekenen waar ze werden geabsorbeerd en in welke hoeveelheden om een ​​beeld te krijgen van de interne dichtheidsstructuur van de planeet.

Dichte regio's detecteren

Medische computertomografie (CT) maakt gebruik van een vergelijkbare benadering. Machines registreren de transmissie en absorptie van röntgenstralen terwijl ze kriskras door het menselijk lichaam gaan, waardoor waarnemers tumoren of andere massa's kunnen detecteren. We willen hetzelfde doen met de aarde, met neutrino's in plaats van röntgenstralen, legt Raymond Jeanloz uit, een geoloog aan de University of California in Berkeley.

Neutrino-tomografie werd voor het eerst voorgesteld in de late jaren 1970 door twee natuurkundigen, John Learned aan de Universiteit van Hawaï en Hugh Bradner aan de Scripps Institution in San Diego. Het duo realiseerde zich dat neutrino's die worden geproduceerd als een bijproduct van de reacties die plaatsvinden in het hart van elke ster, overvloedig aanwezig zijn in het universum. Maar ze legden het idee terzijde omdat er geen beschikbare middelen waren om de hoogenergetische deeltjes op te vangen terwijl ze de aarde bereikten en erdoorheen gingen.

Nu zijn er nieuwe observatoria in ontwikkeling, waaronder AMANDA (de Antarctic Muon and Neutrino Detector Array), NESTOR (genoemd naar de beroemde Griekse koning) voor de kust van Griekenland, de Neutrino Telescope in het Baikalmeer en RICE (het Radio Ice Cerenkov Experiment) -kan binnenkort de mogelijkheid hebben om de deeltjes te detecteren. Met wat aansporing van Learned bracht Chaincy Kuo, een afgestudeerde geologiestudent aan Berkeley, het concept in 1994 nieuw leven in, door een team van geologen en astrofysici samen te stellen om een ​​strategie te ontwikkelen voor het verzamelen van informatie over de aarde uit neutrinogegevens.

Om te begrijpen hoe de techniek naar verwachting werkt, veronderstel dat er één kosmische bron van hoogenergetische neutrino's en één detector op aarde is. Terwijl de aarde draait, zouden neutrino's, die zich in rechte lijnen voortbewegen, verschillende banen door de planeet snijden op weg naar de detector. Waarnemers konden het aantal gedetecteerde neutrino's voor elke afzonderlijke route noteren en bepalen waar de meeste werden geabsorbeerd. Die informatie zou aangeven waar de dichtste gebieden van de aarde waren.

In werkelijkheid zouden er veel bronnen en veel detectoren zijn. Na verloop van tijd zou de absorptie van neutrino's dus kunnen worden gemeten langs een web van lijnen die door de hele planeet snijden. Een computer zou deze metingen vervolgens kunnen combineren om een ​​samengesteld beeld van dichtheidsvariaties te produceren.
Variaties in dichtheid zijn volgens Jeanloz aanzienlijk, omdat ze geologische processen op wereldschaal aansturen. Dichtere gebieden in de mantel hebben de neiging om te zinken, terwijl materialen met een lagere dichtheid de neiging hebben om te stijgen. Deze voortdurende onderaardse churn geeft aanleiding tot de beweging van tektonische platen, evenals tot aardbevingen en vulkanen.

Schattingen van de dichtheid van de aarde zijn nu voornamelijk gebaseerd op seismologische technieken. Na een aardbeving kunnen wetenschappers de snelheid meten van seismische golven die door de grond reizen naar een netwerk van sensoren - hoe dichter het materiaal, hoe sneller de golven bewegen. Aanvullende informatie komt van het bestuderen van de trillingen (of het rinkelen) van de planeet na een grote aardbeving. In tegenstelling tot neutrinotomografie kan seismologie de verdeling van de dichtheid van de aarde echter niet met hoge resolutie in kaart brengen.

begraven schatten

Neutrino-tomografie zou uiteindelijk aanwijzingen kunnen opleveren over waar het binnenste van de aarde precies van gemaakt is. Deze kennis kan ons op zijn beurt helpen bij het vinden van verschillende bronnen - water, olie, gas, metalen en andere mineralen - die onder het oppervlak begraven liggen. George Frichter, een natuurkundige aan het Bartol Research Institute van de Universiteit van Delaware, suggereert dat de techniek ons ​​zelfs iets over het binnenste van de maan zou kunnen vertellen als we observeren hoe neutrinometingen veranderen als de maan voor de aarddetector passeert.

Maar de levensvatbaarheid van neutrinotomografie hangt nog steeds af van één vraag: zijn er genoeg detecteerbare hoogenergetische neutrino's om dit te laten werken? Hawaii's Learned twijfelt er niet aan dat hoogenergetische neutrino's overvloedig aanwezig zijn en wachten om gepakt te worden. Maar hoeveel zijn er daarbuiten? En zijn de detectoren die we bouwen groot genoeg?

Om zoveel mogelijk neutrino's vast te leggen, maakt Learned deel uit van een internationaal team dat van plan is een gigantische neutrino-telescoop met kilometerslange kubussen te bouwen die ongeveer 50 keer groter zou zijn dan de nieuwste generatie instrumenten. De bouw zou binnen 5 tot 10 jaar kunnen beginnen, mogelijk op de NESTOR-site in de Middellandse Zee. Gezien zijn grootte, zegt Learned, zou dit apparaat echt in staat moeten zijn om aardtomografie uit te voeren - niet alleen metingen van de brutodichtheid, maar ook scans met hoge resolutie.

Zo'n enorme detector zou niet goedkoop zijn en zou $ 100-200 miljoen kosten. Aan de positieve kant, zegt Learned, is de neutrinostraal zelf gratis, geproduceerd door kosmische versnellers die niet onderhevig zijn aan de grillen van politieke instanties.

zich verstoppen