'Raggi X' la Terra con Nutrinos

Immagina gli astronomi che fissano un'estremità di un telescopio, cercando di creare immagini del cielo, mentre i geologi scrutano dall'altra parte, guardando attraverso una specie di microscopio in grado di penetrare nei santuari più interni della terra. Suona improbabile? Bene, benvenuto nel mondo stravagante dell'astronomia dei neutrini, dove il basso è su e l'alto è giù e occasionalmente i due si incontrano.

Gli astronomi hanno posizionato trappole per neutrini ad alta energia in alcuni dei punti più remoti del pianeta: molto al di sotto del Mar Mediterraneo, nel lago Baikal in Siberia e nelle profondità delle calotte glaciali del Polo Sud ( vedere A caccia del neutrino selvaggio , TR aprile 1997 ). Sperano che queste particelle sfuggenti, con poca o nessuna massa e nessuna carica elettrica, rivelino segreti sui luoghi violenti nello spazio profondo da cui provengono: buchi neri, quasar e pulsar.

Questa storia faceva parte del nostro numero di agosto 1997

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Ora, tuttavia, i geologi sperano di utilizzare i neutrini intrappolati da questi rilevatori per vedere se possono imparare qualcosa sulla costituzione della terra. Nonostante le loro dimensioni infinitesimali e la loro agilità (che si avvicina alla velocità della luce o quasi), alcuni di questi neutrini verranno fermati mentre si schiantano contro gli atomi all'interno della terra. Più densa è la regione, maggiore è la probabilità che blocchi un neutrino. Tenendo traccia di quanti neutrini raggiungono i rivelatori mentre viaggiano attraverso la terra, gli scienziati possono calcolare dove sono stati assorbiti e in quali quantità per ottenere un'immagine della struttura della densità interna del pianeta.

Rilevamento di regioni dense

La tomografia computerizzata medica (TC) utilizza un approccio simile. Le macchine registrano la trasmissione e l'assorbimento dei raggi X mentre attraversano il corpo umano, consentendo agli osservatori di rilevare tumori o altre masse. Vogliamo fare la stessa cosa con la terra, usando i neutrini invece dei raggi X, spiega Raymond Jeanloz, geologo dell'Università della California a Berkeley.

La tomografia dei neutrini è stata proposta per la prima volta alla fine degli anni '70 da due fisici, John Learned all'Università delle Hawaii e Hugh Bradner allo Scripps Institution di San Diego. Il duo si rese conto che i neutrini, prodotti come sottoprodotto delle reazioni che si verificano nel cuore di ogni stella, abbondano nell'universo. Ma misero da parte l'idea perché non c'erano mezzi disponibili per catturare le particelle ad alta energia mentre raggiungevano e attraversavano la terra.

Ora, nuovi osservatori in fase di sviluppo, tra cui AMANDA (l'Antarctic Muon and Neutrino Detector Array), NESTOR (dal nome del famoso re greco) al largo della costa della Grecia, il Neutrino Telescope nel lago Baikal e RICE (the Radio Ice Cerenkov Experiment) -potrebbe presto avere la capacità di rilevare le particelle. Con qualche stimolo da Learned, Chaincy Kuo, uno studente laureato in geologia a Berkeley, ha quindi ripreso il concetto nel 1994, riunendo un team di geologi e astrofisici per sviluppare una strategia per raccogliere informazioni sulla terra dai dati sui neutrini.

Per capire come dovrebbe funzionare la tecnica, supponiamo che ci sia una fonte cosmica di neutrini ad alta energia e un rivelatore sulla terra. Mentre la terra ruota, i neutrini, che viaggiano in linea retta, taglierebbero diverse strisce attraverso il pianeta in rotta verso il rivelatore. Gli osservatori hanno potuto annotare il numero di neutrini rilevati per ciascuna rotta separata e determinare dove la maggior parte veniva assorbita. Quell'informazione indicherebbe dove si trovavano le regioni più dense della terra.

In realtà ci sarebbero tante sorgenti e tanti rilevatori. Nel tempo, quindi, l'assorbimento dei neutrini potrebbe essere misurato lungo una rete di linee che tagliano l'intero pianeta. Un computer potrebbe quindi combinare queste misurazioni per produrre un'immagine composita delle variazioni di densità.
Le variazioni di densità sono significative, secondo Jeanloz, perché guidano i processi geologici su scala globale. Le regioni più dense del mantello tendono ad affondare, mentre i materiali meno densi tendono a sollevarsi. Questa continua agitazione sotterranea dà origine al movimento delle placche tettoniche, nonché a terremoti e vulcani.

Le stime della densità terrestre ora si basano principalmente su tecniche sismologiche. Dopo un terremoto, gli scienziati possono misurare la velocità delle onde sismiche che viaggiano attraverso il suolo verso una rete di sensori: più denso è il materiale, più velocemente si muovono le onde. Ulteriori informazioni provengono dallo studio delle vibrazioni (o squilli) del pianeta dopo un grande terremoto. A differenza della tomografia dei neutrini, tuttavia, la sismologia non può mappare la distribuzione della densità terrestre con un'alta risoluzione.

Tesori sepolti

La tomografia del neutrino potrebbe alla fine fornire indizi su di cosa sia fatto esattamente l'interno della terra. Questa conoscenza, a sua volta, potrebbe aiutarci a trovare varie risorse - acqua, petrolio, gas, metalli e altri minerali - sepolte sotto la superficie. George Frichter, un fisico del Bartol Research Institute dell'Università del Delaware, suggerisce che la tecnica potrebbe persino dirci qualcosa sull'interno della luna se osserviamo come cambiano le misurazioni dei neutrini quando la luna passa davanti al rivelatore terrestre.

Ma la fattibilità della tomografia dei neutrini dipende ancora da una domanda: ci sono abbastanza neutrini ad alta energia rilevabili perché funzioni? Hawaii's Learned non ha dubbi sul fatto che i neutrini ad alta energia sono abbondanti e stanno aspettando di essere catturati. Ma quanti sono là fuori? E i rilevatori che stiamo costruendo sono abbastanza grandi?

Per catturare il maggior numero possibile di neutrini, Learned fa parte di un team internazionale che sta progettando di costruire un gigantesco telescopio per neutrini di un chilometro cubo che sarebbe circa 50 volte più grande degli strumenti di ultima generazione. La costruzione potrebbe iniziare entro 5-10 anni, possibilmente presso il sito NESTOR nel Mediterraneo. Date le sue dimensioni, afferma Learned, questo dispositivo dovrebbe avere una reale capacità di eseguire la tomografia terrestre, non solo misurazioni della densità lorda, ma scansioni ad alta risoluzione.

Un rivelatore così massiccio non sarebbe economico, costando $ 100-200 milioni. Tra i lati positivi, dice Learned, il fascio di neutrini stesso è libero, prodotto da acceleratori cosmici che non sono soggetti ai capricci delle agenzie politiche.

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