Met behulp van data die neutrinodetector IceCube afgelopen jaar verzamelde, wisten natuurkundigen de massa van onze aardbol te berekenen.
Dankzij MRI-scanners en röntgenapparaten weten we precies hoe een gemiddeld mens er vanbinnen uitziet. Een stuk lastiger is het kaart brengen van het binnenste van onze planeet. De aardbol is nét wat te groot om door zo’n apparaat te halen, en we weten dan ook eigenlijk vrij weinig over de binnenkant. Wat we weten, heeft men voornamelijk afgeleid van seismische golven – maar die dringen helaas niet door tot de binnenste aardkern.
Wat wel tot zelfs de binnenste kern – en verder – kan bewegen, zijn neutrino’s. Deze bijzondere deeltjes zijn vergelijkbaar met elektronen, maar hebben geen elektrische lading en een massa van vrijwel nul. Hierdoor bemoeien deze alom aanwezige deeltjes zich weinig met andere materie en schieten ze moeiteloos min of meer overal doorheen.
Het waren dan ook exact deze ‘spookdeeltjes’ waarmee natuurkundigen van het Institute for Corpuscular Physics (IFIC) aan de haal gingen. Met een jaar aan gegevens van neutrinodetector IceCube wisten de onderzoekers het interieur van onze planeet in beeld te brengen. “Geweldig”, vindt deeltjesfysicus Patrick Decowski (Nikhef, Universiteit van Amsterdam) het onderzoek, dat onlangs in Nature Physics werd gepubliceerd.
Lees ook: ‘Bron van neutrino met hoge energie ontdekt’
Röntgen
Wanneer je onder een röntgenapparaat ligt, wordt röntgenstraling door je lichaam gezonden. Vrijwel moeiteloos beweegt het door zacht weefsel zoals spieren en organen, maar dichter materiaal, zoals bot, absorbeert een (groter) deel van deze straling. Deze verschillen zorgen ervoor dat er aan de ‘andere kant’, afhankelijk van de dichtheid van het weefsel, verschillende hoeveelheden röntgenstraling worden gemeten – et voilà, zo ziet je skelet eruit.
In plaats van röntgenstraling gebruikte het team atmosferische neutrino’s. “De aarde is nagenoeg transparant voor neutrino’s. Voor neutrino’s met een hoge energie, nét wat minder”, vertelt Decowski. “Dat is mede afhankelijk van de dichtheid van het materiaal waar ze doorheen gaan: hoe dichter het materiaal, hoe meer absorptie.”
Neutrino’s
De zogeheten hoogenergetische neutrino’s ontstaan bij het verval van muonen in de atmosfeer en schieten van alle kanten dwars door onze aardbol. De verschillende hoeken waarmee de deeltje op IceCube ‘knalden’, dáár zit het ‘m in. “Door met IceCube de richting te bepalen waaruit deze neutrino’s komen, is te achterhalen welk pad ze door de aarde genomen hebben”, legt Decowski uit.
Waar sommige neutrino’s dwars door de kern heen reisden, schoten andere bijvoorbeeld alleen door de bovenste mantel. Met de concentratie van de deeltjes en de hoek waarmee ze aankwamen, kon het team de dichtheid van de aarde op verschillende dieptes bepalen.
In het linkerfiguur zie je hoe neutrino’s met verschillende banen door de planeet bewegen voor ze op IceCube ‘knallen’. Bron: Donini et al. 2018/Nature Physics
“Bij de kern van de aarde verwacht je een hoge dichtheid met meer absorptie van neutrino’s, terwijl in de mantel die dichtheid lager zal zijn en relatief minder neutrino’s geabsorbeerd worden”, legt Decowski uit. Dat is dan ook precies wat de onderzoekers uit de data opmaakten. Bovendien konden ze met de verzamelde informatie over de dichtheid, ook de massa van de aarde berekenen.
Consistent
Nu leerde het team eigenlijk niks nieuws over onze planeet. De informatie die uit het onderzoek kwam rollen, was door jaren studies met andere technieken al bekend. Op z’n minst heeft het team dus een nieuwe, onafhankelijke manier gevonden om het interieur van onze planeet in kaart te brengen. Maar vooral leert dit ons over de bijzondere neutrino’s zelf.
“Deze analyse is maar op één jaar aan data gebaseerd,” zegt Decowksi, “maar IceCube verzamelt al langer informatie en zal dat ook in de komende jaren blijven doen.” Met ook die data zouden we in de toekomst erg mooie dingen kunnen doen. “Het zou natuurlijk prachtig zijn als ze neutrinodata, waaronder uit Nikhefs KM3NeT neutrinodetector, in de toekomst een échte, kloppende dwarsdoorsnede van de aarde kunnen maken”, besluit de deeltjesfysicus.
Je leest meer over de neutrinotelescoop KM3NeT in KIJK 12/2018. Dit nummer ligt vanaf 22 november tot en met 19 december in de winkel.
Bronnen: Nature Physics, IceCube
Beeld: IceCube/NSF, Donini et al. 2018/Nature Physics
Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Bestel dan hier ons nieuwste nummer. Abonnee worden? Dat kan hier!