Новости науки. 01.06.01. Нейтрино могут рассказать о строении Земли

Как известно, нейтрино настолько слабо взаимодействуют с веществом, что могут "прошить" Землю насквозь, ни разу не столкнувшись ни с одним атомом. В некотором смысле, нейтрино могут "просвечивать" Землю наподобие того, как рентген просвечивает ткани человеческого организма. Из этой аналогии возникает интересное предложение: а можно ли с помощью нейтрино "разглядеть" внутренности Земли?

Действительно, нейтрино хоть изредка, но взаимодействуют с веществом, и потому могут быть наблюдены (о свойствах нейтрино читайте в статье Нейтрино, его масса и осцилляции: состояние дел на 2000 г.). Изучая поток нейтрино, приходящий с разных направлений, можно, в принципе, судить о том, какую толщу вещества приходится преодолевать нейтрино. Таким образом, возникает заманчивая идея изучать распределение вещества внутри Земли по нейтринному потоку.

Для того, чтобы надежно чувствовать Землю, нейтрино должны обладать большой энергией, поскольку с ее ростом растет и сечение взаимодействия нейтрино. Оказывается, природные нейтрино для этих целей не годятся, однако много-Гэвные нейтрино, получаемые на коллайдерах, с задачей просвечивания Земли уже справятся. В частности, сейчас серьезно рассматриваются нейтринные эксперименты со сверхдлинной базой, когда мощный пучок высокоэнергетических нейтрино рождается на ускорителе, скажем, в Европе, пронизывает Землю и попадает в детектор, расположенный, к примеру, в Японии. Такой нейтринный пучок может "рассказать" ученым о том, что за вещество он пронизывал. Но вот только возникает проблема: в таком эксперименте нейтрино приходят только с одного фиксированного направления. Поэтому, казалось бы, они могут дать информацию лишь о суммарной толщине пройденного вещества, но не о распределении масс вдоль пути.

Однако в этой задаче есть дополнительная возможность, новая "степень свободы": распределение нейтрино по энергии. Поскольку нейтринные осцилляции чувствуют локальную плотность вещества, то, оказывается, зная спектр нейтрино на выходе из ускорителя и измеряя его в нейтринном телескопе, можно восстановить профиль плотности вещества Земли.

Эта задача была проанализирована в недавней работе hep-ph/0105293. Авторы моделировали эволюцию пучка высокоэнергетических нейтрино (с энергией до 20 ГэВ) при его прохождении через толщу Земли с известным модельным распределением плотности. Полученный на выходе спектр обрабатывался, и из него получался восстановленный профиль плотности земного вещества. Сравнивая этот профиль с модельным, авторы могли судить о том, насколько адекватно их схема "расшифровки" спектра позволяет восстановить распределение масс в Земле.

Профиль плотности в толще Земли: звездочки и пунктир — заложенная модель, ромбы и сплошная линия — результат обработки спектра.

Типичный вид результатов показан на Рисунке. Здесь звездочками и пунктирной линией показан модельный профиль плотности в Земле. Ромбами и сплошной линией дан результат восстановления профиля по спектру. Видно, что погрешность есть, но в целом, метод не так уж и плохо восстанавливает распределение масс.

Авторы признают, что "нейтринный рентген" будет иметь точность хуже, чем сейсмическое прощупываение Земли. Кроме того, у нейтринного метода есть и естественный масштаб пространственного разрешения — длина осцилляций. Однако не стоит забывать, что сейсмический метод изучения устройства Земли использует не определяемое явно уравнение состояние вещества. В нейтринном же методе плотность вещества измеряется непосредственно. Поэтому объединение этих двух методик может дать новую информацию относительно глубинного устройства Земли.

перейти к началу страницы