'röntga' jorden med Nutrinos

Föreställ dig att astronomer tittar upp i ena änden av ett teleskop och försöker skapa bilder av himlen, medan geologer kikar ner i den andra änden och tittar genom ett slags mikroskop som kan penetrera jordens innersta helgedomar. Låter det osannolikt? Välkommen till neutrinoastronomis galna värld, där ner är upp och upp är ner och ibland möts de två.

Astronomer har lagt fällor för högenergineutriner på några av de mer avlägsna platserna på planeten: långt under Medelhavet, i Sibiriens Bajkalsjö och djupt inne i istäckena på Sydpolen ( ser Jaga den vilda neutrinon , TR april 1997 ). De hoppas att dessa svårfångade partiklar - med liten eller ingen massa och ingen elektrisk laddning - kommer att avslöja hemligheter om de våldsamma platser i rymden som de kom från: svarta hål, kvasarer och pulsarer.

Den här historien var en del av vårt augustinummer 1997

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Men nu hoppas geologer kunna använda neutrinerna som fångas av dessa detektorer för att se om de kan lära sig något om jordens konstitution. Trots deras oändliga storlek och fläckhet (som gränsar till eller nära ljusets hastighet), kommer några av dessa neutriner att stoppas i sina spår när de kraschar in i atomer inne i jorden. Ju tätare regionen är, desto större är sannolikheten att den blockerar en neutrino. Genom att hålla reda på hur många neutriner som når detektorerna när de färdas genom jorden kan forskare beräkna var de absorberades och i vilka mängder för att få en bild av planetens inre densitetsstruktur.

Upptäcker täta regioner

Medicinsk datortomografi (CT) använder ett liknande tillvägagångssätt. Maskiner registrerar överföring och absorption av röntgenstrålar när de korsar genom människokroppen, vilket gör att observatörer kan upptäcka tumörer eller andra massor. Vi vill göra samma sak med jorden, använda neutriner istället för röntgenstrålar, förklarar Raymond Jeanloz, geolog vid University of California i Berkeley.

Neutrinotomografi föreslogs först i slutet av 1970-talet av två fysiker, John Learned vid University of Hawaii och Hugh Bradner vid Scripps Institution i San Diego. Duon insåg att neutriner produceras som en biprodukt av reaktionerna som inträffar i hjärtat av varje stjärna i överflöd i universum. Men de lade idén åt sidan eftersom det inte fanns några tillgängliga medel för att fånga upp högenergipartiklarna när de nådde och passerade jorden.

Nu, nya observatorier under utveckling, inklusive AMANDA (Antarktisk Muon och Neutrino Detector Array), NESTOR (uppkallad efter den berömda grekiska kungen) utanför Greklands kust, Neutrinoteleskopet i Bajkalsjön och RICE (Radio Ice Cerenkov Experiment) -kan snart ha förmågan att upptäcka partiklarna. Med viss maning från Learned återupplivade Chaincy Kuo, en doktorand i geologi vid Berkeley, konceptet 1994, och samlade ett team av geologer och astrofysiker för att utveckla en strategi för att hämta information om jorden från neutrinodata.

För att förstå hur tekniken förväntas fungera, anta att det finns en kosmisk källa till högenergineutriner och en detektor på jorden. När jorden roterar, skulle neutriner, som färdas i raka linjer, skära olika strängar genom planeten på väg till detektorn. Observatörer kunde notera antalet neutriner som upptäckts för varje separat rutt och avgöra var de mest absorberades. Den informationen skulle indikera var de tätaste områdena på jorden var.

I verkligheten skulle det finnas många källor och många detektorer. Med tiden kunde därför neutrinoabsorptionen mätas längs ett nät av linjer som skär genom hela planeten. En dator kan sedan kombinera dessa mätningar för att producera en sammansatt bild av densitetsvariationer.
Densitetsvariationer är betydande, enligt Jeanloz, eftersom de driver geologiska processer på global skala. Tätare områden i manteln tenderar att sjunka, medan mindre täta material tenderar att stiga. Denna ständiga underjordiska churn ger upphov till rörelse av tektoniska plattor såväl som till jordbävningar och vulkaner.

Uppskattningar av jordens densitet bygger nu främst på seismologiska tekniker. Efter en jordbävning kan forskare mäta hastigheten för seismiska vågor som färdas genom marken till ett nätverk av sensorer - ju tätare materialet är, desto snabbare rör sig vågorna. Ytterligare information kommer från att studera planetens vibrationer (eller ringsignaler) efter ett stort skalv. Till skillnad från neutrinotomografi kan dock seismologi inte kartlägga fördelningen av jordens densitet med hög upplösning.

Begravda skatter

Neutrinotomografi kan så småningom ge ledtrådar om exakt vad jordens inre är gjord av. Denna kunskap kan i sin tur hjälpa oss att hitta olika resurser - vatten, olja, gas, metaller och andra mineraler - begravda under ytan. George Frichter, en fysiker vid University of Delawares Bartol Research Institute, föreslår att tekniken till och med kan säga oss något om månens inre om vi observerar hur neutrinomätningar förändras när månen passerar framför jorddetektorn.

Men neutrinotomografins genomförbarhet beror fortfarande på en fråga: Finns det tillräckligt med detekterbara högenergineutriner för att detta ska fungera? Hawaii's Learned har inga tvivel om att det finns gott om neutriner med hög energi och väntar på att bli tagna. Men hur många finns det där ute? Och är detektorerna vi bygger tillräckligt stora?

För att fånga så många neutriner som möjligt ingår Learned i ett internationellt team som planerar att bygga ett gigantiskt kilometerkubiskt neutrinoteleskop som skulle vara cirka 50 gånger större än den senaste generationens instrument. Bygget kan påbörjas inom 5 till 10 år, möjligen på NESTOR-platsen i Medelhavet. Med tanke på dess storlek, säger Learned, borde den här enheten ha en verklig förmåga att göra jordtomografi - inte bara grovdensitetsmätningar utan högupplösta skanningar.

En sådan massiv detektor skulle inte vara billig, den skulle kosta 100-200 miljoner dollar. På plussidan, säger Learned, är själva neutrinostrålen fri, producerad av kosmiska acceleratorer som inte är föremål för politiska myndigheters nycker.

Dölj