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.
Учёные впервые увидели внутреннее строение Земли с помощью частиц-призраков — нейтрино.
Аннотация
Учёные «взвесили» Землю с помощью нейтрино — почти неуловимых частиц, проходящих сквозь планету. Как рентген, они просвечивают недра, и по ослаблению потока можно определить плотность слоёв. Результаты совпали с известными, но теперь геология получила принципиально новый метод. Кто бы мог подумать, что призрачные частицы взвесят Землю?
Связи в графе знаний 1
Почти сто лет назад физик Вольфганг Паули предсказал существование нейтрино — лёгких частиц, которые проходят сквозь вещество, как нож сквозь масло. Только гораздо легче: чтобы задержать хотя бы одно нейтрино, нужна свинцовая стена толщиной в световой год. Тем не менее, если нейтрино очень энергичное, Земля для него уже не совсем прозрачна — особенно плотное железное ядро. Именно это и использовали учёные: как тень от предмета выдаёт его форму, так и ослабление потока нейтрино рассказало о внутренностях нашей планеты.
Представьте, что вы светите ярким фонариком сквозь запотевшее стекло. По тому, насколько стал тусклым луч в разных местах, можно угадать, где стекло толще или грязнее. Земля для нейтрино — такое же запотевшее стекло, только луч — это ливень частиц из космоса.
Десять с лишним лет гигантский детектор IceCube, вмороженный в антарктический лёд, ловил вспышки от нейтрино, прошедших Землю насквозь. Детектор заметил более трёхсот тысяч таких событий. Когда нейтрино сталкивалось с атомом во льду, рождалась заряженная частица, которая неслась быстрее местной скорости света и вызывала голубоватое свечение. По яркости и направлению этой вспышки определяли энергию нейтрино и то, насколько сильно оно ослабло, продираясь через недра. Таким способом был проведён своеобразный спектральный анализ планеты: нейтрино разных энергий затухали по-разному, проявляя слои разной плотности — кору, мантию и ядро.
Самые высокоэнергетические нейтрино приходят к нам от самых бурных событий во Вселенной: от взрывов сверхновых, бешено вращающихся пульсаров, столкновений в окрестностях чёрных дыр и с поверхностей нейтронных звёзд. По сути, земное ядро просвечивают далёкие космические катастрофы.
В итоге учёные построили карту плотности Земли от поверхности до самого центра. Полученная масса и момент инерции совпали с теми, что мы знаем по другим измерениям, но теперь они получены с помощью слабого взаимодействия, которое точно описывается Стандартной моделью физики частиц. Это как ещё одни весы — не пружинные, а, скажем, лазерные: принцип другой, а число то же. Такой метод просвечивания, прежде применявшийся для атмосфер далёких планет, впервые использовали для того, чтобы заглянуть в собственную планету. Значит, в будущем мы сможем проверять наши представления о земных недрах независимым способом и, возможно, уточнить, почему у Земли есть магнитное поле, а у Марса — нет.
🎯 Чтобы задержать хотя бы одно нейтрино, нужна свинцовая стена толщиной в световой год, но сквозь ядро Земли нейтрино высоких энергий поглощаются наполовину.
