Tomografía de neutrinos de la Tierra: una nueva mirada al interior del planeta
Con 10,7 años de detección de neutrinos muónicos (500 GeV – 100 TeV) por el detector IceCube, incluyendo los flujos atmosférico y difuso astrofísico, se reconstruyó por primera vez el perfil radial de densidad de la Tierra mediante la interacción débil. La absorción de neutrinos depende de la densidad columnar atravesada y de la energía, por lo que medir la supresión del flujo en función del ángulo cenital permite ajustar un modelo de capas esféricas concéntricas homogéneas, que tiene en cuenta los flujos, secciones eficaces de interacción, respuesta del detector y la sistemática del hielo glaciar. A partir de las distribuciones posteriores de densidad se calcularon la masa y el momento polar de inercia de la Tierra, los valores más precisos obtenidos por métodos no gravitacionales ni sísmicos, consistentes con el modelo PREM y con mediciones gravitacionales independientes. El resultado demuestra que los neutrinos abren un nuevo camino para sondear el interior planetario, basado en un mecanismo físico distinto y complementario a la sismología y gravimetría.
Context
Durante casi un siglo, el interior de la Tierra se ha estudiado principalmente con ondas sísmicas, sensibles a las propiedades elásticas de la materia. Estos métodos proporcionaron el detallado modelo PREM, pero se basan en la respuesta macroscópica de la materia a las fuerzas gravitatorias y elásticas. Los neutrinos, predichos por Wolfgang Pauli hace casi un siglo, interactúan exclusivamente a través de la interacción débil, abriendo una ventana adicional. Su capacidad de atravesar el espesor del planeta, siendo parcialmente absorbidos en función de la densidad atravesada, recuerda al método de espectrometría de tránsito utilizado para estudiar las atmósferas de exoplanetas. Solo que aquí, en lugar de una estrella, tenemos la atmósfera, y en lugar de un planeta, la propia Tierra.
Methods
El análisis se basa en datos recopilados por el telescopio de neutrinos IceCube, ubicado en el Polo Sur. El detector registra la radiación Cherenkov —destellos de luz que se producen cuando partículas cargadas se mueven en el hielo más rápido que la luz en ese medio. Al medir la atenuación del flujo en función de la energía, los investigadores aplican una especie de espectroscopía de la Tierra: diferentes energías de neutrinos son sensibles a distintas profundidades. De los 368 071 trazos registrados, generados por interacciones de neutrinos, se seleccionaron eventos con energías entre 500 GeV y 100 TeV. Para cada evento se reconstruyeron la energía y el ángulo cenital, que determina la longitud del camino recorrido a través de la Tierra. Para relacionar la atenuación observada del flujo con la densidad, la Tierra se parametrizó como un conjunto de capas concéntricas de densidad constante. Luego, mediante métodos de Monte Carlo y análisis bayesiano, variando los parámetros de densidad y numerosas incertidumbres sistemáticas (incluidos los flujos de neutrinos, la sección eficaz de interacción y las propiedades del hielo), se construyó una distribución de probabilidad conjunta.
Results
El perfil radial de densidad reconstruido, presentado en la figura 2, mostró una buena concordancia con el modelo sísmico estándar PREM. La densidad del núcleo, el manto y la corteza, determinada con una precisión de decenas de porcentaje, se encuentra dentro de los límites esperados. A partir de este perfil se calculó la masa de la Tierra: 7.25×1024 kg (intervalo de confianza del 68 % [6.31, 8.31]×1024 kg), que incluye el valor medido gravitacionalmente de 5.97×1024 kg dentro del intervalo del 95 %. De manera análoga, el momento de inercia polar resultó ser de 1.05×1038 kg·m² ([9.04×1037, 1.24×1038] kg·m²), también en concordancia con el valor de referencia de 8.01×1037 kg·m². Este resultado es la medición más precisa hasta la fecha de la estructura interna de la Tierra utilizando la interacción débil.
Implications
El éxito de la tomografía de neutrinos abre una nueva era en la planetología. Ahora podemos verificar modelos de la estructura terrestre sin depender exclusivamente de ondas elásticas y la gravedad. Este método es especialmente valioso porque se basa en una interacción descrita por el Modelo Estándar de la física de partículas con alta precisión: la sección eficaz de las reacciones neutrino-nucleón está determinada por las propiedades de los partones dentro de protones y neutrones. Así, la geofísica obtiene una herramienta calibrada por la física del micromundo. Además, la tomografía de neutrinos podría aplicarse en el futuro a otros planetas, si se dispone de detectores suficientemente potentes.
Future development
El futuro cercano del método está ligado al aumento de la estadística y la reducción de errores sistemáticos. La actualización ya planificada de IceCube y el telescopio KM3NeT en construcción en el Mediterráneo aumentarán el número de neutrinos detectados, especialmente de altas energías. Paralelamente, se están refinando los datos sobre los flujos de neutrinos atmosféricos y astrofísicos, producidos en objetos como supernovas, estrellas de neutrones y púlsares, así como en las cercanías de agujeros negros. Modelos mejorados de efectos nucleares en las secciones eficaces a valores bajos de x-Bjorken permitirán reducir las incertidumbres relacionadas con el apantallamiento de partones en los núcleos.
Impact
La tomografía de neutrinos impactará en la geofísica, al proporcionar una verificación independiente de los modelos de la estructura interna de la Tierra; en la física de partículas, al impulsar mediciones más precisas de las secciones eficaces neutrino-nucleón; y en la astrofísica, ya que requiere un conocimiento detallado de los flujos de neutrinos astrofísicos, cuyas fuentes pueden ser agujeros negros en acreción y estrellas en explosión.
Next steps
Los próximos pasos incluyen el análisis de datos de IceCube con una calibración mejorada de las propiedades del hielo y la inclusión de información sobre las oscilaciones de neutrinos (aunque en este rango de energías son insignificantes). También se planean ajustes conjuntos con otros experimentos para reducir las incertidumbres en las secciones eficaces.
Key open problems
La tomografía de neutrinos está directamente relacionada con el enigma de la composición y dinámica del núcleo terrestre, que genera el campo magnético. También podría ayudar a entender por qué Marte, siendo un planeta similar, carece de un campo global. Además, el método sirve como puente entre la geofísica y la física de partículas elementales, poniendo a prueba las predicciones del Modelo Estándar en condiciones de enormes blancos nucleares: la propia Tierra.
🎯 Para detectar un solo neutrino, se necesitaría una pared de plomo de un año luz de espesor; sin embargo, la Tierra es capaz de atenuar casi a la mitad el flujo de neutrinos de 100 TeV si atraviesan el núcleo.
Key numbers
- Años de datos: 10.7 años
- Número de eventos: 368 071
- Rango de energía: 500 GeV – 100 TeV
- Masa medida de la Tierra: 7.25×10^24 kg
- Momento de inercia medido: 1.05×10^38 kg·m²