西班牙科学家用中微子给地球做个“X光照影”

如果我们想知道地球的内部结构,应该怎么办?地球如此庞大,现在还没有能装下它的X扫描仪或核磁共振成像扫描仪,因此西班牙的一群物理学家另辟蹊径——利用穿透地球的亚原子粒子给地球来个内部成像。

该团队使用的是中微子——甚至重新精确测量出了我们星球的质量。

中微子是一群奇怪的小东西。它们是宇宙中最丰富的粒子之一,但很难被勘测到。它们与电子类似,但本身不带电荷,质量有几乎为零,因此它们几乎不与正常物质发生相互作用。

此时此刻,数十亿的中微子正穿过你的身体——所以,它们的诨名是“幽灵粒子”。

虽然历史上,我们对中微子的勘测探测工作始终不大理想,但南极洲的IceCube中微子探测器已经勇敢地为我们打开了一扇通往新(亚原子)世界的大门。

使用IceCube这一年的观测数据,西班牙瓦伦西亚的物理研究所(IFIC)的物理学家们甚至能够借此描绘出地球的内脏。

它的工作方式几乎与X射线完全相同。当您进行X光照影时,射线会穿过您的身体。它们大多通过的是肌肉和器官等软组织。然而,密度更高的部位,如骨骼,会“遮挡”住X射线,因此在身体另一侧的接收屏上留下阴影,从而产生骨骼的图像。

西班牙团队使用的是中微子,而不是X射线;当来自太空的高能粒子撞击地球的大气层时,爆发出中微子。然后中微子继续穿过我们的星球——但有一定概率会被它经过材质的原子核吸收。

材料密度越高,吸收效率也就越高;反过来,研究团队可以通过中微子的通过率测算出地球的密度。

IFIC物理学家Sergio Palomares-Ruiz解释说:“大气中微子有个好处,就是速度分布在各个方向上,同时具有足够多样的能量值和足够精确的已知通量。大气中微子通量的吸收比率取决于其所穿过物质的数量以及中微子的能量,因此通过研究携带不同能量的中微子在不同方向上的吸收率的变化,我们可以确定出地球的密度。”

此处“不同角度”是非常重要的条件。一些中微子径直穿过地球的核心,而其他中微子则斜向擦过地核。

分析中微子的速度方向以及单位面积上数量的变化,为团队提供了计算地球不同深度处密度的工具。

传统上,我们从地震产生的地震波推断出地球的密度。然而,地震波无法穿透地心内核。

“中微子提供了地球未被我们所知的宝贵信息,地球的磁性就来源于这未知之处。”IFIC物理学家 Andrea Donini说。

好吧,关于我们的地球,该团队并没有发现任何新的知识。地球内部的密度结构,行星的质量和惯性矩确实都是使用中微子数据计算出来的——但与以前用其他方法测量的结果一致,而且也不太详细。

但研究的意义不在于此——而是“我们可以用中微子来做些什么”。西班牙的物理学家的做法可以说是开创性的,结果令人敬畏。

“我们的研究证明了使用这种方法来研究地球内部结构的可行性,它是对传统地球物理学方法的补充。”研究人员在他们的论文中写道。您可以点击此处,查看论文

目前相对来说,中微子数据仍然稀少;研究人员希望他们的研究能够促成IceCube的升级,以及未来几年里发展出更多的中微子应用手段。

论文被刊发在Nature Physics。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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