Вы один из авторов этой статьи? Напишите нам с рабочей или университетской почты, указав arXiv ID этой статьи, и мы подтвердим вас и дадим доступ к редактированию этой страницы.
С помощью данных нейтринной обсерватории IceCube учёные впервые измерили распределение плотности, массу и момент инерции Земли, используя ослабление потока высокоэнергетических нейтрино, проходящих сквозь планету.
Аннотация
Используя 10,7 лет данных нейтринной обсерватории IceCube, учёные реконструировали профиль плотности Земли. Высокоэнергетические нейтрино (500 ГэВ – 100 ТэВ) поглощаются веществом в зависимости от пройденной толщи и энергии. Измеряя ослабление потока частиц под разными углами, удалось подобрать слоистую модель недр и вычислить массу и полярный момент инерции. Это самые точные значения, полученные через слабое взаимодействие; они согласуются с сейсмическими и гравитационными данными. Если сейсмология «слушает» Землю, то нейтрино позволяют «увидеть» её силуэт на просвет.
Связи в графе знаний 1
Почти сто лет сейсмология оставалась главным рентгеном планеты, прощупывая недра через упругие волны. Но нейтрино — частицы-призраки, предсказанные Вольфгангом Паули, — предлагают иной взгляд. Подобно тому, как астрономы изучают атмосферы далёких миров по тому, как звёздный свет фильтруется сквозь них во время транзита, нейтринная обсерватория IceCube на Южном полюсе превратила Землю в собственную экзопланету. Потоки высокоэнергетических нейтрино, рождённых в активных ядрах галактик и окрестностях чёрных дыр, подсвечивают планету насквозь — и по ослаблению этого потока проступает скрытая структура ядра, мантии, коры.
Чтобы зарегистрировать одно нейтрино, понадобилась бы стена из свинца толщиной в световой год. Однако Земля способна ослабить поток нейтрино с энергией 100 ТэВ почти на 50%, если они пройдут через ядро.
Телескоп IceCube наблюдает свет Черенкова — голубые вспышки, возникающие во льду, когда заряженные мюоны двигаются быстрее, чем свет в этой среде. За 10.7 лет анализа из 368 071 трека отобраны нейтрино с энергиями от 500 ГэВ до 100 ТэВ. Главный трюк — в зависимости сечения от энергии: оно растёт степенным образом, описываясь формулой из Стандартной модели. Поэтому нейтрино разных энергий «видят» разную глубину — возникает своеобразная спектроскопия земных слоёв. Исследователи параметризовали Землю набором концентрических оболочек постоянной плотности и с помощью байесовского анализа воссоздали радиальный профиль плотности.
Результат работы — не просто кривая, а портрет планеты, нарисованный слабым взаимодействием. Профиль с точностью до десятков процентов совпал с эталонной сейсмической моделью PREM. Из него впервые вычислили массу Земли (7.25×10^24 кг) и полярный момент инерции (1.05×10^38 кг·м²) по отдельности — и оба значения легли в доверительный интервал с классическими измерениями. Это означает, что нейтрино-нуклонное сечение, выверенное на ускорителях, согласуется с планетарными масштабами — фундаментальная физика и геология сыграли дуэтом.
При энергии 1 ТэВ нейтрино «чувствует» лишь несколько процентов массы Земли на своём пути, а при 100 ТэВ — почти всю толщу. Как будто планета постепенно становится непрозрачной для частиц-призраков.
Нейтринная томография — не просто изящная проверка геофизических моделей. Она открывает дорогу к планетологии, не зависящей от сейсмометров и орбитальных гравиметров. В будущем, когда нарастят статистику IceCube-Gen2 и средиземноморского KM3NeT, можно будет заглянуть в сердце Марса, чтобы расследовать, почему его магнитное динамо умолкло, или же прощупать ядра газовых гигантов. А пока метод требует всё более точного знания потоков астрофизических нейтрино от сверхновых, нейтронных звёзд и пульсаров, а также уточнения ядерных эффектов в сечениях — данные из Антарктиды продолжают литься, и каждый год приносит новую прозрачность.
🎯 Чтобы зарегистрировать одно нейтрино, понадобилась бы свинцовая стена толщиной в световой год; тем не менее, Земля способна ослабить поток нейтрино с энергией 100 ТэВ почти вдвое, если они пройдут через ядро.
