domingo, 23 de junio de 2013


Viaje desde el centro de la Tierra

 
6/20/2013 04:37:00 p.m.
Referencia: Symmetry.Magazine.org .
por Glenn Roberts Jr., 18 de junio 2013

Las partículas subatómicas transmiten desde el interior de la Tierra importante evidencias sobre los orígenes del planeta.
De niños, muchos de nosotros jugamos con la posibilidad de cavar un hoyo tan profundo que pudiese llegar al centro de la Tierra, o incluso que llegara hasta el otro lado del planeta. Pues hay unas partículas subatómicas, llamadas neutrinos, que atraviesan con facilidad prácticamente toda la materia, para los que hacer ese viaje es un juego de niños.


Los "geoneutrinos" son neutrinos que fluyen de forma natural desde el interior de la Tierra, y están dando a los científicos la mejor evidencia directa de lo que está pasando en el vientre del planeta. Liberados de forma natural, los isótopos radiactivos de dentro de la Tierra, los geoneutrinos transportan la información sobre lo que se fabrica en las  calientes entrañas de la tierra, qué elementos constituyen el núcleo de nuestro planeta y en qué concentración y distribución, y de cómo se mueven e interactúan el manto de la Tierra y las placas tectónicas, y de cómo se forman y evolucionan los planetas como el nuestro.

La utilidad de los geoneutrinos como trazadores de la química interna de la Tierra, de la energía térmica y de la física asociada, fue propuesta por primera vez en la década de 1960, sin embargo, no fue sino hasta 2005 que cualquier persona podría observar realmente estas partículas fantasmales.

Giorgio Gratta, físico de la Universidad de Stanford, dice que la investigación de los geoneutrinos ha conseguido marcar rápidamente a la geología y la geofísica. "Esta es la primera física aplicada de neutrinos. Es realmente notable que los neutrinos tengan ya una aplicación, y el tiempo que ha llevado encontrar esta aplicación ha sido bastante corta."

Una mejor visión del interior de la Tierra

Corteza externa de la Tierra esconde varias capas, que van desde el manto sólido a su núcleo externo líquido y a un núcleo interno sólido. De forma tradicional, los investigadores han localizado estas capas a través del estudio de las ondas sísmicas, electromagnéticas y campos de gravedad, por meteoritos, por el contenido de los flujos volcánicos y por el calor geotérmico que se escapa de los pozos. También llevan a cabo experimentos de laboratorio que simulan las presiones y temperaturas que se piensa que existen en el manto y el núcleo del planeta.

Con el uso de estos métodos, los geoquímicos han construido modelos que describen la concentración de elementos que generan calor en el interior de la Tierra, incluyendo el uranio radiactivo, el torio y el potasio. Se estima que se producen continuamente alrededor de 44 a 46 billones de vatios de energía térmica en el interior de la Tierra, de los que al menos la mitad provienen de la desintegración radiactiva. El calor emitido por la Tierra es enfriado por el manto y el núcleo que se cree que son los responsables de la mayor parte del remanente de energía térmica. Sin embargo, deducir que todo lo que ocurre en lo profundo de la Tierra puede explorarse de primera mano es muy difícil, todavía hay muchas incógnitas.

Ahí es donde encajan los geoneutrinos, ofreciendo las observaciones más directas del interior del planeta hasta la fecha. Mediante el estudio de estas partículas que surgen de la desintegración radiactiva del planeta, los científicos obtienen una nueva perspectiva sobre lo que está pasando allá abajo.

Mediciones de geoneutrinos ya están ayudando a establecer restricciones sobre la cantidad de desintegración radiactiva que contribuye al presupuesto total de calor del planeta. También pueden proporcionar una imagen más completa de la forma de la Tierra, de las capas internas que interactúan en un proceso conocido como subducción, cuando una placa se desliza debajo de otra, y de la convección, cuando el magma empuja hacia arriba a través de la corteza para formar una nueva. En adelante, la investigación en curso espera mejorar los modelos de cómo se formó nuestro planeta y de cómo está cambiando.

"En la actualidad, la detección de geoneutrinos es la mejor manera de darnos la información que necesitamos" acerca de la actividad del calor dentro de la Tierra, señala Wim van Westrenen, profesor de evolución planetaria en la Universidad VU de Amsterdam, en los Países Bajos.

La búsqueda de geoneutrinos

Mientras los geoneutrinos pueden arrojar datos importantes sobre el interior de la Tierra, a su vez están desafiando las condiciones experimentales.

Un problema inherente es la dificultad para medir estas diminutas partículas. Los científicos del experimento KamLAND, en Japón, el primer experimento en observar geoneutrinos, reportaron un total de 116 posibles geoneutrinos en su primera década de funcionamiento, hasta el año 2012. La colaboración Borexino, el segundo experimento en verlos, informó de la observación de tan sólo 14 partículas que se asemejaban mucho a los geoneutrinos después de casi cuatro años de funcionamiento. Eso es que no hay muchos.

Los investigadores sólo están viendo una parte del cuadro. En tanto, sus detectores, que fueron diseñados para estudiar los anti-neutrinos generados por los reactores nucleares cercanos, no los geoneutrinos, y son lo suficientemente sensibles para registrar a los geoneutrinos de alta energía producidos en el interior de la Tierra por los isótopos radiactivos de torio y uranio, pero se pierden por completo en la amplia franja de geoneutrinos de baja energía producidos por otros elementos como el potasio.

Ampliando la red

Para seguir aprendiendo sobre el interior de la Tierra con los geoneutrinos, los científicos necesitan coger mucho más. Para ello necesitan grandes y mejores detectores, y en lugares más ideales.

"Es necesario recopilar más datos", dice Gratta. "Si KamLAND fuese 10 veces más grande, e igual para el Borexino, hablaríamos de una gran mejora. En este momento podrían desgranarse diferentes modelos geológicos. Y con estadísticas mucho más grandes que sin duda podrían ayudar."

Se espera que un nuevo experimento empiece a funcionar a finales de este año, en Ontario, Canadá, el SNO+ ("snow-plus", en pronunciación inglesa), que dará un nuevo paso en esa dirección. Su predecesor, el SNO, registró veloces neutrinos al pasar a través de un depósito de 1.000 toneladas de agua pesada.

El SNO+ permitirá la detección de geoneutrinos con energías más bajas que su predecesor, y con la sensibilidad de KamLAND, reemplazando el agua con alquilbenceno lineal, un líquido que permite hacer mediciones más sensibles. Debido a su ubicación, en medio de una placa continental rica en uranio y torio, los investigadores esperan que el SNO+ detecte cerca de un tercio más de geoneutrinos cada año que el KamLAND, el cual detecta una mezcla de neutrinos de la corteza continental y oceánica. También se espera que el SNO+ recoja un 75% menos de señales provenientes del hombre, que el KamLAND. Las futuras actualizaciones pueden mejorar aún más la sensibilidad de los detectores SNO+ para medir partículas de baja energía.

La opción de masa fina

A largo plazo, sin embargo, el experimento ideal de geoneutrino se llevaría a cabo en un lugar más exótico. "Le gustaría un lugar donde la corteza sea delgada", dice Gratta.

La colocación de detectores de puntos finos da a los científicos la mejor oportunidad para detectar geoneutrinos procedentes de debajo de la corteza, del manto, esa región de la que los investigadores saben tan poco.

Un enorme 75 a 80 por ciento de los geoneutrinos detectados hasta la fecha se han producido en la corteza, apunta Jelena Maricic, profesora asistente de física en la Universidad de Hawaii. Así que, hay mucho aún por aprender acerca de lo que sucede a continuación.

Un experimento propuesto, llamado Hanohano, sería un detector ubicado donde la corteza terrestre es más delgada: por debajo del océano. Allí, el experimento buscaría estudiar los geoneutrinos del manto de la Tierra, y tendría una doble ventaja. Cuatro kilómetros de agua protegerían al experimento de otras partículas y de los ruidos que pueden distorsionar las señales de los neutrinos.

"La conclusión es que necesitamos los datos de todos estos experimentos, a fin de probar diferentes partes de la corteza de la Tierra", dice Maricic. "Iual que con las piezas de un rompecabezas, sólo juntas pueden darnos una imagen más fina y nítida de la distribución de uranio y torio en el interior de nuestro planeta, y los detalles más concretos del flujo de calor y de la tectónica de placas."

El beneficio potencial de la investigación de geoneutrinos abarca los campos desde las ciencias de la Tierra a la cosmología y la física de partículas, por no hablar de la geología, dice Maricic.

El 'Renacimiento' del geoneutrino

El geofísico de Stanford, Norm Sleep, utiliza una simple analogía para describir el desafío de la investigación de geoneutrinos. Si estás excavando en busca de oro, y sólo hay una pepita de oro en cada tonelada por excavar, y tienes que probar un montón de rocas para darse cuenta de eso. Por otra parte, puede que tengas suerte en la primera palada y creas que todo ello está lleno de riquezas.

De igual modo, la investigación de geoneutrinos requiere de un amplio conjunto de datos que nos diga la verdadera concentración y distribución de los isótopos radiactivos en la corteza y el manto de la Tierra.

Sleep también espera que los geoneutrinos con el tiempo será capaz de servir como sistema de alerta temprana. Si bien, los datos no es probable que nos diga cuándo golpeará el próximo terremoto, sí podría ayudar a identificar dónde: allí donde los continentes son más débiles o tienen un flujo de calor ligeramente superior.

"El calor de la Tierra actúa lentamente", dice Sleep. "Se necesita mucho tiempo para que la radiactividad pueda calentar algo, por lo que probablemente no nos diga si va a haber un terremoto el martes o el jueves. Pero podrá darnos la posibilidad de comprender mejor dónde los continentes son más débiles. Esto es básicamente revolucionario para las ciencias de la tierra."

Según Maricic, “cuando los geólogos se dieron cuenta de la posible utilización de la investigación de geoneutrinos, se lo tomaron como un renacimiento", dijo, "la geofísica de neutrinos es un nombre que no existía hace siete u ocho años. Llevó su tiempo que los geólogos se dieran cuenta, pero cuando lo hicieron, fue emocionante."



- Ilustración: Sandbox Studio, Chicago
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Fuente: Pedro Donaire, Bitnavegantes.