Нейтринная томография Земли: IceCube впервые измерил внутреннее строение планеты через лед Антарктиды
Учёные нейтринной обсерватории IceCube, расположенной во льдах Антарктиды, представили новый метод изучения внутреннего строения Земли. Вместо традиционных сейсмических волн они использовали высокоэнергетические нейтрино — частицы, способные проходить сквозь огромные толщи материи. Результаты опубликованы в архиве препринтов arXiv.
Нейтрино, рождённые в атмосфере Земли при взаимодействии космических лучей, а также приходящие из далёкого космоса, частично поглощаются при прохождении сквозь планету. Степень поглощения зависит от плотности вещества на пути частицы и её энергии. IceCube регистрирует нейтрино, приходящие под разными углами: те, что идут с противоположной стороны Земли (через всю толщу), сильнее ослаблены, чем приходящие сверху.
В работе проанализированы данные за 10,7 лет наблюдений в диапазоне энергий от 500 ГэВ до 100 ТэВ. В основном это мюонные нейтрино. Учёные построили модель плотности Земли как набор концентрических слоёв с однородной плотностью и подогнали её под зарегистрированное ослабление потока нейтрино в зависимости от зенитного угла и энергии.
В результате впервые получены независимые оценки массы и полярного момента инерции Земли, основанные на слабом взаимодействии нейтрино с веществом. Эти величины с высокой точностью согласуются с эталонной моделью Земли (Preliminary Reference Earth Model) и гравитационными измерениями. По словам авторов, это самые точные на сегодняшний день результаты, полученные с помощью слабого взаимодействия.
Открытие демонстрирует, что нейтрино могут служить уникальным инструментом для зондирования планетных недр. В отличие от гравиметрии и сейсмологии, которые изучают макроскопический отклик на гравитационные и упругие силы, нейтрино взаимодействуют с веществом на уровне элементарных частиц, что даёт дополнительную информацию о плотности.
Исследователи отмечают, что с улучшением детекторов и накоплением данных нейтринная томография позволит ещё точнее изучать структуру Земли и, возможно, других планет. В перспективе метод может быть применён для поиска неоднородностей в мантии или ядре, недоступных для сейсмических волн.
