Пролетающие сквозь Землю нейтрино помогут изучать ее недра

Физики оценили, можно ли исследовать скачки плотности и другие характеристики внутренностей Земли при помощи современных нейтринных телескопов. Согласно их расчетам, будущие установки, такие как DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment — глубокий подземный нейтринный эксперимент) уже смогут реализовать идею нейтринной томографии планеты. Статья опубликована в журнале Physical Review D.

Нейтрино летят к Земле от Солнца. Даже когда оно уходит за горизонт, эти легкие и слабовзаимодействующие частицы продолжают движение, ведь вся толща планеты для них практически прозрачна. Таким образом, ночью нейтринные телескопы получают сигнал буквально из-под земли. Подобно рентгеновским лучам в медицинском сканере, такие частицы несут информацию о распределении вещества в толще планеты.

Первые эксперименты по солнечным нейтрино в 1960-х обнаружили недостаток частиц, который был затем объяснен осцилляциями — процессами превращения нейтрино из одного типа в другие. Также была обнаружена асимметрия день-ночь: в течение ночи высокоэнергетических нейтрино регистрируют на несколько процентов больше, чем днем. Объясняется это редко происходящими взаимодействиями с материей, из-за которых нейтрино других ароматов превращаются в электронные, вероятность взаимодействия которых в детекторе максимальна.

Так как интенсивность таких взаимодействий зависит от плотности, то различные траектории движения нейтрино сквозь Землю должны приводить к немного отличающимся избыткам. Ара Ионнисян из Ереванского физического института в Армении и его коллеги посчитали поток нейтрино высоких энергий в модели восьмислойной Земли, в которой на каждой границе происходит скачок плотности. Оказалось, что такие резкие изменения, особенно если они расположены близко к поверхности, заметно влияют на ночной сигнал. В частности, в предрассветные и сумеречные часы (когда Солнце находится в 10 градусах под горизонтом), ночной избыток должен быть слегка меньше. Согласно оценкам, эксперимент DUNE, который должен начать работу в 2027, сможет обнаружить данный эффект.