Puede que no sea obvio mientras está acostado al sol en un día caluroso de verano, pero también viene una cantidad considerable de calor de debajo de usted, que emana de las profundidades de la Tierra. Este calor equivale a más de tres veces el consumo total de energía del mundo entero e impulsa importantes procesos geológicos. como el movimiento de las placas tectónicas y el flujo de magma cerca de la superficie de la Tierra. Pero a pesar de esto, De dónde proviene exactamente la mitad de este calor es un misterio.

Se cree que un tipo de neutrinos, partículas con una masa extremadamente baja, emitidas por procesos radiactivos en el interior de la Tierra pueden proporcionar pistas importantes para resolver este misterio. El problema es que son casi imposibles de atrapar. Pero en un nuevo periódico publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza , hemos establecido una forma de hacer precisamente eso.

Las fuentes conocidas de calor del interior de la Tierra son las desintegraciones radiactivas, y calor residual de cuando nuestro planeta se formó por primera vez. La cantidad de calentamiento por radiactividad, estimada sobre la base de mediciones de la composición de muestras de rocas, es muy incierto:representa entre el 25 y el 90% del flujo de calor total.

Partículas esquivas

Los átomos de los materiales radiactivos tienen núcleos inestables, lo que significa que pueden dividirse (decaer a un estado estable) al emitir radiación nuclear, parte de la cual se convierte en calor. Esta radiación consta de varias partículas con energías específicas, según el material que las emitió, incluidos los neutrinos. Cuando los elementos radiactivos se desintegran dentro de la corteza y el manto de la Tierra, emiten "geoneutrinos". De hecho, cada segundo, la Tierra irradia más de un billón de billones de partículas de este tipo al espacio. Medir su energía puede decirles a los investigadores qué material los produjo y, por lo tanto, la composición del interior oculto de la Tierra.

Las principales fuentes conocidas de radiactividad dentro de la Tierra son los tipos inestables de uranio, torio y potasio, algo que conocemos en base a muestras de roca hasta 200 km por debajo de la superficie. Lo que acecha debajo de esa profundidad es incierto. Sabemos que los geoneutrinos emitidos cuando el uranio se desintegra tienen más energía que los emitidos cuando el potasio se divide. Entonces, midiendo la energía de los geoneutrinos, podemos saber de qué tipo de material radiactivo proceden. De hecho, esta es una forma mucho más fácil de averiguar qué hay dentro de la Tierra que perforar decenas de kilómetros por debajo de la superficie.

Desafortunadamente, Los geoneutrinos son muy difíciles de detectar. En lugar de interactuar con materia ordinaria como la que se encuentra dentro de los detectores, tienden a pasar a través de ellos. Es por eso que se necesitó un enorme detector subterráneo lleno de aproximadamente 1, 000 toneladas de líquido para realizar la primera observación de geoneutrinos, en 2003. Estos detectores miden los neutrinos al registrar su colisión con átomos en el líquido.

Desde entonces, solo otro experimento ha logrado observar geoneutrinos, utilizando una tecnología similar. Ambas mediciones implican que aproximadamente la mitad del calor de la Tierra causado por la radiactividad (20 teravatios) puede explicarse por la desintegración del uranio y el torio. La fuente del 50% restante es una pregunta abierta.

Sin embargo, Hasta ahora, las mediciones no han podido medir la contribución de las desintegraciones de potasio:los neutrinos emitidos en este proceso tienen una energía demasiado baja. Por lo que podría ser que el resto del calor provenga de la descomposición del potasio.

Nueva tecnología

Nuestra nueva investigación sugiere que podemos hacer un mapa del flujo de calor desde el interior de la Tierra midiendo la dirección de donde proviene el geo-neutrino, así como su energía. Esto suena simple pero el desafío tecnológico es formidable, requiriendo nueva tecnología de detección de partículas.

Proponemos el uso de "detectores de cámara de proyección de tiempo" llenos de gas. Dichos detectores funcionan creando una imagen tridimensional de un geoneutrino que choca con el gas que está dentro, desprendiendo un electrón de un átomo de gas. El movimiento de este electrón puede seguirse a lo largo del tiempo para reconstruir una dimensión del proceso (tiempo). La tecnología de imágenes de alta resolución puede reconstruir las dos dimensiones espaciales de su movimiento. En los detectores de líquidos que se utilizan actualmente, las partículas que se desprenden en las colisiones viajan una distancia tan corta (porque están en un líquido) que la dirección es imposible de resolver.

Detectores similares, a menor escala, se utilizan actualmente para realizar mediciones de precisión de interacciones de neutrinos, y buscar materia oscura. Calculamos que el tamaño del detector necesario para descubrir los geoneutrinos del potasio radiactivo sería de 20 toneladas. Para mapear correctamente la composición del manto por primera vez, tendría que ser 10 veces más masivo. Hemos construido un prototipo para dicho detector, y estamos trabajando en la ampliación.

Medir geoneutrinos de esta manera podría ayudar a mapear el flujo de calor en el interior de la Tierra. Esto nos ayudaría a comprender la evolución del núcleo interno al evaluar la concentración de elementos radiactivos. También podría ayudar a desentrañar el antiguo misterio de qué fuente de calor impulsa la convección (transferencia de calor por movimiento de fluidos) en el núcleo externo que genera el campo geomagnético de la Tierra. Este campo es vital para retener nuestra atmósfera que protege la vida en la Tierra de la radiación dañina del sol.

Es extraño que sepamos tan poco sobre lo que sucede bajo tierra sobre el que caminamos. Eso hace que sea emocionante pensar en cómo estas mediciones podrían finalmente permitir la exploración pionera del funcionamiento interno velado de la Tierra.

Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.