'Röntgen' der Erde mit Nutrinos

Stellen Sie sich vor, Astronomen blicken an einem Ende eines Teleskops nach oben und versuchen, Bilder des Himmels zu erstellen, während Geologen am anderen Ende nach unten blicken und durch eine Art Mikroskop blicken, das die innersten Heiligtümer der Erde durchdringen kann. Klingt unwahrscheinlich? Nun, willkommen in der verrückten Welt der Neutrino-Astronomie, in der unten oben und oben unten ist und sich gelegentlich die beiden treffen.

Astronomen haben an einigen der abgelegeneren Orte der Erde Fallen für hochenergetische Neutrinos aufgestellt: weit unter dem Mittelmeer, im sibirischen Baikalsee und tief in den Eiskappen des Südpols ( sehen Jagd auf das wilde Neutrino , TR April 1997 ). Sie hoffen, dass diese schwer fassbaren Teilchen – mit geringer oder keiner Masse und ohne elektrische Ladung – Geheimnisse über die gewalttätigen Orte im Weltraum enthüllen, aus denen sie kamen: Schwarze Löcher, Quasare und Pulsare.

Diese Geschichte war Teil unserer August-Ausgabe 1997

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Nun hoffen die Geologen jedoch, die von diesen Detektoren gefangenen Neutrinos nutzen zu können, um zu sehen, ob sie etwas über die Beschaffenheit der Erde erfahren können. Trotz ihrer unendlich kleinen Größe und Flüchtigkeit (mit oder nahe der Lichtgeschwindigkeit) werden einige dieser Neutrinos auf ihrer Bahn gestoppt, wenn sie auf Atome im Inneren der Erde prallen. Je dichter die Region, desto größer die Wahrscheinlichkeit, dass sie ein Neutrino blockiert. Indem sie verfolgen, wie viele Neutrinos die Detektoren auf ihrem Weg durch die Erde erreichen, können Wissenschaftler berechnen, wo und in welchen Mengen sie absorbiert wurden, um ein Bild der inneren Dichtestruktur des Planeten zu erhalten.

Erkennen dichter Regionen

Einen ähnlichen Ansatz verfolgt die medizinische Computertomographie (CT). Maschinen zeichnen die Transmission und Absorption von Röntgenstrahlen auf, während sie den menschlichen Körper durchqueren, sodass Beobachter Tumore oder andere Massen erkennen können. Dasselbe wollen wir mit der Erde machen, Neutrinos statt Röntgenstrahlen verwenden, erklärt Raymond Jeanloz, Geologe an der University of California in Berkeley.

Die Neutrino-Tomographie wurde erstmals Ende der 1970er Jahre von zwei Physikern vorgeschlagen, John Learned von der University of Hawaii und Hugh Bradner von der Scripps Institution in San Diego. Das Duo erkannte, dass Neutrinos, die als Nebenprodukt der Reaktionen im Herzen jedes Sterns produziert werden, im Universum im Überfluss vorhanden sind. Aber sie stellten die Idee beiseite, weil es keine Möglichkeit gab, die hochenergetischen Teilchen einzufangen, als sie die Erde erreichten und durchquerten.

Jetzt werden neue Observatorien in Entwicklung - darunter AMANDA (das Antarctic Myon and Neutrino Detector Array), NESTOR (benannt nach dem berühmten griechischen König) vor der Küste Griechenlands, das Neutrino-Teleskop im Baikalsee und RICE (das Radio Ice Cerenkov Experiment). -könnte bald die Fähigkeit haben, die Partikel zu erkennen. Auf Anregung von Learned belebte Chaincy Kuo, ein Geologie-Student in Berkeley, das Konzept im Jahr 1994 wieder und stellte ein Team von Geologen und Astrophysikern zusammen, um eine Strategie zu entwickeln, um aus Neutrinodaten Informationen über die Erde zu gewinnen.

Um zu verstehen, wie die Technik funktionieren soll, nehmen wir an, es gibt eine kosmische Quelle hochenergetischer Neutrinos und einen Detektor auf der Erde. Wenn sich die Erde dreht, würden Neutrinos, die sich in geraden Linien bewegen, auf dem Weg zum Detektor verschiedene Streifen durch den Planeten schneiden. Beobachter konnten die Anzahl der Neutrinos, die für jede einzelne Route entdeckt wurden, notieren und feststellen, wo die meisten absorbiert wurden. Diese Informationen würden anzeigen, wo sich die dichtesten Regionen der Erde befinden.

In Wirklichkeit gäbe es viele Quellen und viele Detektoren. Mit der Zeit könnte daher die Neutrino-Absorption entlang eines Liniennetzes gemessen werden, das den gesamten Planeten durchschneidet. Ein Computer könnte diese Messungen dann kombinieren, um ein zusammengesetztes Bild von Dichtevariationen zu erzeugen.
Dichtevariationen sind laut Jeanloz signifikant, da sie geologische Prozesse auf globaler Ebene vorantreiben. Dichtere Bereiche des Mantels neigen dazu, abzusinken, während weniger dichte Materialien dazu neigen, aufzusteigen. Diese ständige unterirdische Aufwirbelung führt zu Bewegungen tektonischer Platten sowie zu Erdbeben und Vulkanen.

Schätzungen der Erddichte stützen sich heute hauptsächlich auf seismologische Techniken. Nach einem Erdbeben können Wissenschaftler die Geschwindigkeit seismischer Wellen messen, die durch den Boden zu einem Netzwerk von Sensoren wandern – je dichter das Material, desto schneller bewegen sich die Wellen. Zusätzliche Informationen stammen aus der Untersuchung der Schwingungen (oder des Klingelns) des Planeten nach einem großen Beben. Anders als die Neutrino-Tomographie kann die Seismologie die Dichteverteilung der Erde jedoch nicht hochauflösend abbilden.

Vergrabene Schätze

Die Neutrino-Tomographie könnte schließlich Hinweise darauf geben, woraus das Erdinnere genau besteht. Dieses Wissen wiederum könnte uns helfen, verschiedene Ressourcen zu finden – Wasser, Öl, Gas, Metalle und andere Mineralien –, die unter der Oberfläche vergraben sind. George Frichter, Physiker am Bartol Research Institute der University of Delaware, schlägt vor, dass die Technik uns sogar etwas über das Innere des Mondes verraten könnte, wenn wir beobachten, wie sich die Neutrino-Messungen ändern, wenn der Mond vor dem Erddetektor vorbeizieht.

Die Funktionsfähigkeit der Neutrino-Tomographie hängt jedoch immer noch von einer Frage ab: Gibt es genügend nachweisbare hochenergetische Neutrinos, damit dies funktioniert? Hawaii’s Learned hat keinen Zweifel daran, dass hochenergetische Neutrinos im Überfluss vorhanden sind und darauf warten, geschnappt zu werden. Aber wie viele sind da draußen? Und sind die Detektoren, die wir bauen, groß genug?

Um möglichst viele Neutrinos einzufangen, ist Learned Teil eines internationalen Teams, das den Bau eines riesigen, kilometergroßen Neutrino-Teleskops plant, das etwa 50-mal größer als die neueste Generation von Instrumenten sein soll. Der Bau könnte innerhalb von 5 bis 10 Jahren beginnen, möglicherweise am NESTOR-Gelände im Mittelmeer. Angesichts seiner Größe, sagt Learned, sollte dieses Gerät wirklich in der Lage sein, Erdtomographien durchzuführen – nicht nur Rohdichtemessungen, sondern auch hochauflösende Scans.

Ein so massiver Detektor wäre nicht billig und würde 100 bis 200 Millionen Dollar kosten. Auf der positiven Seite, sagt Learned, ist der Neutrinostrahl selbst kostenlos und wird von kosmischen Beschleunigern erzeugt, die nicht den Launen politischer Behörden unterliegen.

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