Els físics fan un escàner de la Terra amb partícules subatòmiques

La Terra també pot passar per un escàner o se li pot fer una radiografia. Això seria el que han dut a terme investigadors de l'Institut de Física Corpuscular (Universitat de València-CSIC) i de l'Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona. La recerca es publica a la revista "Nature Physics". Els autors són Andrea Donini, Sergio Palomares i Jordi Salvadó.

Tècnicament, el que han obtingut els investigadors és una tomografia, anàloga a la que es pot fer per exploracions mèdiques. En humans els mètodes utilitzats són, entre altres, la Tomografia Axial Computeritzada (TAC) i la Tomografia per Emissió de Positrons (PET, per les sigles en anglès).

Per a la Terra, i davant la impossibilitat de posar la "pacient" en cap aparell mèdic, els investigadors s'han basat en una partícula anomenada neutrí. És una partícula elemental proposada pel físic alemany Wolfgang Pauli el 1930.

Una partícula molt lleugera

El nom uneix dues particularitats: no té càrrega elèctrica i és molt lleugera. Per això, quan al físic italià Enrico Fermi li van preguntar si seria com el neutró -"neutrone" en italià-, ell va dir que més aviat mereixia un diminutiu i s'hauria de dir "neutrino". I aquest és el seu nom en pràcticament tots els idiomes, tret d'alguns com el català, en què es va adaptar.

Segons certs models teòrics, ni tan sols tindrien massa. Però els experiments més recents han permès determinar que si que en tenen, tot i ser molt petita. Els neutrins tenen la particularitat de travessar la Terra, ja que interactuen molt poc amb la matèria ordinària. Fins i tot el nostre cos és travessat constantment per neutrins sense que notem res ni deixin el mínim rastre. Això pot explicar per què la seva existència no es va demostrar experimentalment fins al 1956.

Aquest pas furtiu té un clar desavantatge per als científics. Com detectar-los, si gairebé no interactuen? Cal molta matèria perquè hi hagi bilions d'interaccions i alguna es pugui detectar. Per això s'han construït el que s'ha anomenat observatoris de neutrins. Consisteixen en grans masses d'aigua o de gel, amb sensors que permeten registrar mínimes interaccions.

Així, el Super-Kamiokande japonès es troba a mil metres sota terra i conté 50.000 tones d'aigua pura. Un altre observatori és l'IceCube, que és a l'Antàrtida i utilitza un quilòmetre cúbic de gel. Les dades d'aquest segon són les que han fet servir els autors d'aquest estudi.

Càlcul de massa i densitat

La interacció dels neutrins amb la matèria depèn de l'energia que tinguin. Els que en tenen més poden deixar rastre en aquests observatoris. Són els que es generen en els fenòmens més extrems i violents que es produeixen en el cosmos, com ara forats negres o supernoves.

Aquests neutrins són parcialment absorbits pels materials que componen la Terra, en una proporció establerta pels científics. Els investigadors han relacionat aquestes proporcions amb uns 20.000 neutrins d'alta energia, produïts pel xoc de rajos còsmics en l'atmosfera i detectats per l'IceCube el 2011.

Aquestes partícules es coneixen com neutrins atmosfèrics i el seu us presenta diversos avantatges, com explica Sergio Palomares, de l'IFC:

"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. 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."

El mètode tradicional per calcular la densitat de la Terra es basa en la velocitat de propagació d'ones sísmiques produïdes per terratrèmols. Com que les ones es detecten a molts llocs del planeta, segons com s'hagin propagat es pot deduir quin tipus de materials han travessat i la seva densitat.

Però aquestes ones sísmiques també reboten en la superfície que separa el nucli intern de la Terra, que és sòlid, del nucli extern, que es troba en estat líquid. En canvi, els neutrins ho travessen tot sense problemes. Per això, també aporten dades sobre el nucli de la Terra.

Resultats concordants

Amb ells han elaborat el primer estudi de la densitat del planeta utilitzant aquesta partícula elemental. També per primera vegada, els neutrins han servit per mesurar altres propietats de la Terra, com la seva massa. Els resultats concorden amb els que s'han obtingut amb els tradicionals mètodes geofísics.

El treball publicat avui mostra com es poden emprar els neutrins per estudiar l'estructura de l'interior del planeta, però les dades utilitzades són encara escasses per competir en precisió amb altres tècniques geofísiques. Els investigadors esperen accedir al conjunt de dades obtingut per l'IceCube des de 2011 fins ara, la qual cosa millorarà la precisió dels resultats, tant en el mantell com en el nucli terrestre.

Les perspectives per a aquesta nova tècnica milloraran amb l'entrada en joc de KM3NeT, un nou telescopi de neutrins que es construeix en el Mediterrani. Farà servir cinc quilòmetres cúbics d'aigua, repartida en tres instal·lacions situades en zones profundes davant les costes de Toló (França), Sicília i Pylos (Grècia).

Fa poc, una tècnica similar es va emprar per descobrir una sala oculta a l'interior de la piràmide de Kheops usant muons atmosfèrics, que s'originen quan els raigs còsmics interactuen amb els àtoms de l'alta atmosfera.