Zemes 'rentgenstaru' ar Nutrinos

Iedomājieties, ka astronomi skatās uz augšu vienā teleskopa galā, cenšoties radīt debesu attēlus, bet ģeologi skatās lejā otrā galā, skatoties caur sava veida mikroskopu, kas var iekļūt zemes visdziļākajās svētnīcās. Izklausās neticami? Laipni lūdzam neitrīno astronomijas dīvainajā pasaulē, kur lejā ir augšā un augšā ir lejā, un laiku pa laikam abi satiekas.

Astronomi ir izlikuši augstas enerģijas neitrīno slazdus dažos attālākos planētas vietās: tālu zem Vidusjūras, Sibīrijas Baikāla ezerā un dziļi Dienvidpola ledus cepurēs ( skat Savvaļas neitrīna medības , TR 1997. gada aprīlis ). Viņi cer, ka šīs nenotveramās daļiņas ar mazu masu vai bez tās un bez elektriskā lādiņa atklās noslēpumus par vardarbīgajām vietām dziļajā kosmosā, no kurienes tās nākušas: melnajiem caurumiem, kvazāriem un pulsāriem.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 1997. gada augusta numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Tomēr tagad ģeologi cer izmantot šo detektoru notvertos neitrīnus, lai noskaidrotu, vai viņi var uzzināt kaut ko par Zemes uzbūvi. Neraugoties uz to bezgalīgi mazo izmēru un gaistību (kas robežojas ar gaismas ātrumu vai tuvu tam), daži no šiem neitrīniem tiks apturēti, kad tie ietriecas atomos zemes iekšienē. Jo blīvāks ir reģions, jo lielāka iespēja, ka tas bloķēs neitrīno. Sekojot līdzi tam, cik neitrīno sasniedz detektorus, kad tie ceļo pa zemi, zinātnieki var aprēķināt, kur tie tika absorbēti un kādos daudzumos, lai iegūtu priekšstatu par planētas iekšējā blīvuma struktūru.

Blīvu reģionu noteikšana

Medicīniskā datortomogrāfija (CT) izmanto līdzīgu pieeju. Mašīnas reģistrē rentgenstaru pārraidi un absorbciju, kad tie šķērso cilvēka ķermeni, ļaujot novērotājiem atklāt audzējus vai citas masas. Mēs vēlamies darīt to pašu ar zemi, izmantojot neitrīnus, nevis rentgena starus, skaidro Raimonds Žanlozs, Kalifornijas Universitātes Bērklijā ģeologs.

Pirmo reizi neitrīno tomogrāfiju 1970. gadu beigās ierosināja divi fiziķi Džons Learned Havaju universitātē un Hjū Bredners Scripps institūtā Sandjego. Duets saprata, ka neitrīno rodas kā blakusprodukts reakcijām, kas notiek visu Visuma zvaigznes centrā. Taču viņi nolika šo ideju malā, jo nebija pieejami līdzekļi, lai notvertu lielas enerģijas daļiņas, kad tās sasniedza un šķērsoja zemi.

Pašlaik tiek izstrādātas jaunas observatorijas, tostarp AMANDA (Antarktikas mūnu un neitrīno detektoru masīvs), NESTOR (nosaukts slavenā grieķu karaļa vārdā) pie Grieķijas krastiem, neitrīna teleskops Baikāla ezerā un RICE (Radio Ledus Cerenkova eksperiments). - drīzumā var būt iespēja atklāt daļiņas. Ar kādu no Learned pamudinājumiem Čeinsija Kuo, Bērklija ģeoloģijas maģistrantūras studente, 1994. gadā atdzīvināja šo koncepciju, apvienojot ģeologu un astrofiziķu komandu, lai izstrādātu stratēģiju informācijas iegūšanai par Zemi no neitrīno datiem.

Lai saprastu, kā šī tehnika darbosies, pieņemsim, ka uz Zemes ir viens kosmisks augstas enerģijas neitrīno avots un viens detektors. Zemei griežoties, neitrīno, kas pārvietojas taisnās līnijās, ceļā uz detektoru caur planētu nogrieztu dažādas joslas. Novērotāji varēja atzīmēt katrā atsevišķā maršrutā atklāto neitrīno skaitu un noteikt, kur lielākā daļa tika absorbēta. Šī informācija norādītu, kur atrodas blīvākie zemes reģioni.

Patiesībā būtu daudz avotu un daudz detektoru. Tāpēc ar laiku neitrīno absorbciju varēja izmērīt pa līniju tīklu, kas šķērso visu planētu. Pēc tam dators varētu apvienot šos mērījumus, lai iegūtu blīvuma izmaiņu saliktu attēlu.
Pēc Žanloza domām, blīvuma atšķirības ir nozīmīgas, jo tās virza ģeoloģiskos procesus globālā mērogā. Blīvākiem apvalka apgabaliem ir tendence nogrimt, savukārt mazāk blīviem materiāliem ir tendence pacelties. Šī nepārtrauktā pazemes virkne izraisa tektonisko plātņu kustību, kā arī zemestrīces un vulkānus.

Zemes blīvuma aprēķini tagad galvenokārt balstās uz seismoloģiskām metodēm. Pēc zemestrīces zinātnieki var izmērīt seismisko viļņu ātrumu, kas pārvietojas pa zemi uz sensoru tīklu - jo blīvāks materiāls, jo ātrāk viļņi pārvietojas. Papildu informācija tiek iegūta, pētot planētas vibrācijas (vai zvana signālus) pēc lielas zemestrīces. Tomēr atšķirībā no neitrīno tomogrāfijas seismoloģija nevar kartēt zemes blīvuma sadalījumu ar augstu izšķirtspēju.

Apglabātie dārgumi

Neitrīno tomogrāfija galu galā var sniegt norādes par to, no kā tieši sastāv zemes iekšpuse. Šīs zināšanas savukārt varētu palīdzēt mums atrast dažādus resursus – ūdeni, naftu, gāzi, metālus un citus minerālus, kas aprakti zem virsmas. Džordžs Frihters, Delavēras Universitātes Bārtola pētniecības institūta fiziķis, ierosina, ka šī tehnika varētu kaut ko pastāstīt par Mēness iekšpusi, ja novērojam, kā mainās neitrīno mērījumi, Mēnesim ejot zemes detektora priekšā.

Bet neitrīno tomogrāfijas dzīvotspēja joprojām ir atkarīga no viena jautājuma: vai ir pietiekami daudz nosakāmu augstas enerģijas neitrīno, lai tas darbotos? Hawaii’s Learned nešaubās, ka augstas enerģijas neitrīno ir daudz un tie gaida, kad tie tiks aizturēti. Bet cik tādu ir ārā? Un vai mūsu veidotie detektori ir pietiekami lieli?

Lai notvertu pēc iespējas vairāk neitrīno, Learned ir daļa no starptautiskas komandas, kas plāno uzbūvēt milzīgu kilometru kubu neitrīno teleskopu, kas būtu aptuveni 50 reizes lielāks nekā jaunākās paaudzes instrumenti. Būvniecība varētu sākties 5 līdz 10 gadu laikā, iespējams, NESTOR objektā Vidusjūrā. Ņemot vērā tās izmēru, Learned saka, ka šai ierīcei vajadzētu būt reālai spējai veikt zemes tomogrāfiju — ne tikai bruto blīvuma mērījumus, bet arī augstas izšķirtspējas skenēšanu.

Šāds masīvs detektors nebūtu lēts, maksājot 100-200 miljonus dolāru. Pozitīvā puse Learned saka, ka pats neitrīno stars ir brīvs, to rada kosmiskie paātrinātāji, kas nav pakļauti politisko aģentūru kaprīzēm.

paslēpties