Primera tomografía de la Tierra con neutrinos

Investigadores del Instituto de Física Corpuscular (IFIC, un centro mixto del CSIC y la Universidad de Valencia) y del Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB) publican esta semana en la revista Nature Physics la primera tomografía de la Tierra utilizando neutrinos.

Esta partícula elemental, una de las más abundantes del universo, es capaz de atravesar el planeta sin inmutarse, por lo que puede aportar valiosa información sobre la distribución de su densidad, especialmente de zonas poco conocidas como el núcleo interno.

Los científicos han utilizado también por primera vez neutrinos para medir otras propiedades de la Tierra como su masa, obteniendo resultados acordes con los tradicionales métodos geofísicos. El estudio utiliza datos del experimento IceCube, el mayor telescopio de neutrinos del mundo situado en la Antártida.

Los neutrinos son las únicas partículas conocidas que pueden atravesar la Tierra. Esto es posible porque apenas interactúan con la materia ordinaria, la que vemos en el universo y que compone nuestro planeta y a nosotros mismos.

Por eso se dice que el neutrino es la ‘partícula fantasma’, y se requieren enormes detectores para atraparlos. En el caso de IceCube, utiliza un kilómetro cúbico del hielo del Polo Sur para capturar los neutrinos con más energía que se conocen, algunos de los cuales proceden de los fenómenos más extremos del cosmos como agujeros negros o supernovas.

Los neutrinos que tienen más energía son parcialmente absorbidos por los materiales que componen la Tierra, en una proporción ya establecida por la colaboración científica internacional que opera el experimento antártico.

Perfil de densidad de la Tierra medido con neutrinos atmosféricos. En azul, resultado con un año de datos de IceCube. En rojo, predicción de resultados utilizando 10 años de datos. / A. Donini et al./Nature Physics

Lo que han hecho ahora los autores es relacionar estas tasas de absorción con aproximadamente 20.000 neutrinos de alta energía producidos por el choque de rayos cósmicos en la atmósfera, conocidos como neutrinos atmosféricos, detectados por IceCube en 2011. Con ellos han elaborado el primer estudio de la densidad del planeta utilizando esta partícula elemental.

Neutrinos atmosféricos

“El uso de neutrinos atmosféricos nos permite disponer de neutrinos provenientes de todas direcciones, con un amplio rango de energía y un flujo conocido con bastante precisión. La cantidad de absorción del flujo de neutrinos atmosféricos depende tanto de la cantidad de material atravesado como de la energía de los neutrinos, de modo que, estudiando la variación de la cantidad de absorción en diferentes direcciones para neutrinos de diferente energía, podemos determinar la distribución de densidad de la Tierra”, explica Sergio Palomares, investigador Ramón y Cajal del CSIC en el IFIC.

La densidad de la Tierra se calcula tradicionalmente midiendo la velocidad de propagación de ondas sísmicas producidas por terremotos. Estos datos componen los modelos geofísicos que establecen valores para la densidad, elasticidad, presión o gravedad de nuestro planeta. Aunque este método dispone de muchos datos (cada año se producen unos 100.000 terremotos ‘útiles’ para su estudio), las ondas sísmicas rebotan en la superficie que separa el núcleo interno (sólido) y núcleo externo (líquido).

“Los neutrinos en cambio lo atraviesan todo, ofreciendo valiosa información sobre el desconocido núcleo de la Tierra, donde se genera el magnetismo del planeta”, asegura otro de los autores, Andrea Donini, investigador científico del CSIC en el IFIC.

La idea de utilizar neutrinos para estudiar el interior del planeta no es nueva. Hace casi medio siglo se planteó un método para realizarlo mediante neutrinos creados en aceleradores de partículas.

Técnica similar para revelar cámaras ocultas en pirámides

Una técnica similar se ha empleado recientemente para descubrir una sala oculta en el interior de la pirámide de Keops usando muones atmosféricos, unos ‘parientes’ del neutrino. Pero hasta la puesta en marcha de IceCube en 2010 no existía un instrumento capaz de detectar neutrinos de alta energía que atraviesan la Tierra en cantidad suficiente para llevar a cabo este estudio.

El trabajo muestra cómo se pueden emplear los neutrinos para estudiar la estructura del interior del planeta, pero los datos utilizados son aún escasos para competir en precisión con otras técnicas geofísicas. Los investigadores esperan acceder al conjunto de datos obtenido por la colaboración IceCube desde 2011 hasta ahora, lo que mejorará la precisión de los resultados, tanto en el manto como en el núcleo terrestre.

Además, las perspectivas para esta nueva técnica mejorarán con la puesta en marcha de KM3NeT, un nuevo telescopio de neutrinos que se construye en el Mediterráneo, donde el IFIC lidera la participación española. Con este nuevo experimento se detectarán neutrinos en ambos hemisferios, posibilitando una imagen más precisa del interior de la Tierra utilizando esta elusiva partícula.

Los investigadores del IFIC Sergio Palomares, Jordi Salvadó (actualmente en el ICCUB) y Andrea Donini. / IFIC (CSIC-UV)