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Un método verdaderamente directo, podría ser monitorizar la proporción de neutrinos atmosféricos que son absorbidos al pasar a través de la Tierra.



Autor de la traducción: Manuel Hermán Capitán

En ausencia de un agujero de 6 000 kilómetros de profundidad para llevar a cabo observaciones, los científicos que esperan aprender cosas sobre la estructura interna de la Tierra tienen actualmente pocas opciones aparte de monitorizar las ondas sísmicas. Sin embargo, esta técnica, que confía en los modelos de cómo las ondas se ven afectadas por las propiedades de las rocas, es indirecta y potencialmente poco fiable. Un método verdaderamente directo, sugerido por investigadores de España, Japón y Estados Unidos, podría ser monitorizar la proporción de neutrinos atmosféricos que son absorbidos al pasar a través de la Tierra.

Esta no es la primera vez que los neutrinos atmosféricos, que se producen cuando los rayos cósmicos colisionan con un núcleo atómico de la atmósfera superior, han sido propuestos para estudiar la estructura de la Tierra. Aunque estas partículas sin carga y prácticamente sin masa pasan a través de la Tierra sin impedimento cuando tienen poca energía, a energías superiores a 10 TeV (10¹³ eV) muy ocasionalmente son absorbidas.

Los neutrinos pueden ser detectados por el telescopio IceCube cuando interactúan con los núcleos atómicos y producen muones, que generan radiación Cerenkov.© Ceren Hires/NSF

Dado que esta absorción depende de la densidad del medio por el que viaja el neutrino, a través de una porción de la Tierra cerca de la superficie, por ejemplo, sería menos probable que fuese absorbido que otro que viajase a través del núcleo denso. Por tanto recontando cuantos neutrinos pasan a través de distintas capas, debería ser posible ver dónde están las transiciones entre el núcleo y el manto interno, o entre otras capas estructurales.

Sin embargo, los científicos descartaron en su mayoría la idea de usar neutrinos atmosféricos para estudiar la estructura de la Tierra, dado que mayormente tienen lugar a baja energía. Aunque habían esperado que neutrinos cósmicos de alta energía generados por supernovas y otras fuentes astrofísicas estuviesen disponibles, las observaciones del telescopio de neutrinos AMANDA en el Antártico ha mostrado que tales fuentes son demasiado raras.

Ahora, Concepción González-García de la Universidad de Barcelona en España y sus colegas dicen que los neutrinos atmosféricos pueden haber sido descartados con demasiada celeridad. Sus cálculos muestran que, aunque la proporción de neutrinos atmosféricos por encima del criterio de absorción de 10 TeV son pocos, el escaso número podría ser suficiente. “Sería mejor tener un rayo localizado que uno disperso, pero el punto es que no existe tal rayo localizado en la naturaleza que sea lo bastante intenso”, dijo González-García a physicsworld.com.

Sin embargo, no cualquier detector de neutrinos es apto para este trabajo. Los investigadores creen que un número suficiente de neutrinos atmosféricos podría ser detectado sólo usando un sucesor de AMANDA, conocido como IceCube, una red de aproximadamente 70 sensores de luz enterrados a dos kilómetros de profundidad en el hielo antártico.

Los neutrinos que pasan a través del hielo ocasionalmente tendrán una posibilidad de interactuar con núcleos atómicos y producir una partícula subatómica llamada muón, la cual viaja a altas velocidades produciendo la llamada radiación de Cerenkov. Cuando esta radiación alcanza uno de los sensores de luz de IceCube, este registra la presencia de un neutrino.

Wl telescopio IceCube en el Polo Sur © NSF

Para calcular el número de neutrinos atmosféricos que podrían registrarse de esta forma, el grupo de González-García integró el área de IceCube y la multiplicó por el flujo de neutrinos atmosféricos producidos en un lado de la Tierra dado por un modelo teórico. Entonces tuvieron que reducir el valor para permitir varios factores atenuantes: la variación en la densidad de la Tierra, la dispersión inelástica, y la posibilidad de oscilación, es decir, la fluctuación en tipo o “sabor” de un neutrino a lo largo de grandes distancias.

Los investigadores estiman que aproximadamente 1 000 neutrinos tendrían que detectarse para observar la transición del núcleo de la Tierra al manto con una precisión del 99 %. Dado que IceCube tiene ya instalados 13 de los 70 sensores y que no estará completo hasta antes de 2010, esta observación podría necesitar entre 4 años y una década.

Aunque esto parece mucho tiempo para una información que ya ha sido revelada por las medidas sísmicas, el grupo de González-García apunta en su artículo que tales medidas dependen demasiado de modelos que no han sido verificados por métodos independientes. “El tema de las observaciones directas usando un método alternativo tiene sentido”, dijo.


Para saber más:

Los neutrinos son partículas subatómicas de tipo fermiónico, de carga neutra y espín 1/2. Los últimos estudios han confirmado que los neutrinos tienen masa, aunque ésta no se conoce con exactitud. Su valor, en todo caso, sería muy pequeño habiéndose obtenido tan sólo cotas superiores con valores aproximadamente 200.000 veces más pequeños que la masa del electrón. Además, su interacción con las demás partículas es mínima por lo que pasan a través de la materia ordinaria sin apenas perturbarla.

La masa del neutrino tiene importantes consecuencias en el modelo estándar de física de partículas ya que implicaría la posibilidad de transformaciones entre los tres tipos de neutrinos existentes en un fenómeno conocido como oscilación de neutrinos.

En todo caso, los neutrinos no se ven afectados por las fuerzas electromagnética o nuclear fuerte, pero sí por la fuerza nuclear débil y la gravitatoria.


El muón (que toma su nombre de la letra griega mu, µ) es una partícula elemental masiva que pertenece a la segunda generación de leptones. Su spin es 1/2, Posee carga eléctrica negativa, como el electrón, aunque su masa es 200 veces mayor, y su vida es algo más larga que otras partículas inestables (2.2µs). Está asociada con su correspondiente antipartícula el antimuón (µ+).


La radiación de Cherenkov (también escrito Cerenkov, aunque se debería transliterar Čerenkov) es una radiación de tipo electromagnético producida por el paso de partículas en un medio a velocidades superiores a las de la luz en dicho medio. La velocidad de la luz depende del medio y alcanza su valor máximo en el vacío. El valor de la velocidad de la luz en el vacío no puede superarse pero sí en un medio en el que ésta es forzosamente inferior. La radiación recibe su nombre del físico Pavel Alekseyevich Cherenkov quien fue el primero en caracterizarla rigurosamente y explicar su producción. Cherenkov recibió el Premio Nobel de Física en 1958 por sus descubrimientos relacionados con esta reacción.

La radiación Cherenkov es un tipo de onda de choque que produce el brillo azulado característico de los reactores nucleares. Éste es un fenómeno similar al de la generación de una onda de choque cuando se supera la velocidad del sonido. En ese caso los frentes de onda esféricos se superponen y forman uno solo con forma cónica. Debido a que la luz también es una onda, en este caso electromagnética, puede producir los mismos efectos si su velocidad es superada. Y esto, como ya se ha dicho, solo puede ocurrir cuando las partículas en un medio distinto del vacío, viajan a velocidades superiores a la de los fotones en dicho medio.

Radiación de Cherenkov en el núcleo de un reactor TRIGA.

El efecto Cherenkov es de gran utilidad en los detectores de partículas donde la susodicha radiación es usada como trazador. Particularmente en los detectores de neutrinos de agua pesada como el Kamiokande.


Agradecimientos: Wikipedia.org
Crédito de las imágenes: USDE. Ceren Hires/NSF.


Traducido y editado por el equipo de Astroseti.
Colaboradores:
- Manuel Hermán Capitán
- Xavier Civit


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