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» » Utilizando los neutrinos como mensajeros de las entrañas de la Tierra

Esas elusivas partículas que podrían revelar los orígenes de la Tierra y su funcionamiento interno, contando con que podamos atraparlas.

William McDonough, no se anda con rodeos a la hora de enfrentarse con ese conglomerado de rocas que llamamos nuestro hogar. Mientras aprendemos cada vez más de otros mundos de nuestro sistema solar y más allá, nuestra imagen de la Tierra bajo nuestros pies sigue siendo sorprendentemente incompleta. ¿De qué está hecha exactamente? ¿Cómo se formó? Seguimos tanteando en busca de respuestas.


McDonough, geoquímico de la Universidad de Maryland, College Park, pretende cambiar eso. Su objetivo es arrojar alguna luz sobre la región más misteriosa del planeta, ese vasto infierno llamado manto que se encuentra entre el núcleo caliente del centro y la delgada corteza externa de la Tierra. La luz, sin embargo, no es cosa de McDonough: entre él y sus colegas están planeando obtener sus respuestas usando neutrinos. Por inverosímil que pueda parecer, estas solitarias partículas podrían ser justo lo que nos dé esa información sobre el pasado y el presente de nuestro planeta. Sólo hay una condición: tenemos primero que atrapar la suficiente cantidad.

No es que no sepamos absolutamente nada sobre ese gigante de abajo. Sabemos que hace alrededor de 4,6 mil millones de años, en un brazo espiral exterior de la Vía Láctea, una densa nube de hidrógeno y polvo comenzó a colapsar sobre sí misma. Su centro de ignición creó el sol, mientras que los granos de polvo más lejanos poco a poco se fueron fusionando para formar más y más grandes cuerpos sólidos. Unos cuantos millones de años más tarde, algunos de ellos habían crecido lo suficiente como para formar planetas rocosos.

También sabemos, más o menos, lo que pasó en la formación de estos planetas. El sol está formado en su mayoría por hidrógeno y helio, elementos volátiles que no contribuyen mucho para un planeta rocoso. Sin embargo, los estudios espectroscópicos de la superficie del Sol revelan elementos más pesados, menos volátiles, entre ellos el oxígeno, carbono, hierro, silicio, aluminio y magnesio. Los meteoritos (que pueden definirse como escombros sobrantes de las obras de construcción planetaria), que periódicamente llueven sobre nosotros, contienen un inventario muy similar. Estos materiales son la esencia de nuestro planeta.

Lo que yace ahí debajo

Pero, ¿qué cantidad hay de cada elemento y dónde se encuentran? Los estudios del campo magnético del planeta, y de las ondas sísmicas que atraviesan el núcleo de la Tierra, indican que se trata de una mezcla parcialmente fundida de hierro y níquel. Varios arañazos y rasgaduras en la corteza más externa de la Tierra muestran que consiste en su mayoría de diversos óxidos y silicatos de minerales (ver diagrama).


Hasta ahora, todo bien. Pero, ¿qué hay entre el núcleo y la corteza, en esa enorme masa del manto de la Tierra? El manto constituye las dos terceras partes de la masa total del planeta. Conocer su composición podría mejorar enormemente nuestra idea del inventario químico de la Tierra y nos darnos pistas sobre las condiciones en que se formaron. Dependiendo de la temperatura ambiente, se fueron condensando variadas cantidades de los diferentes elementos de la nebulosa solar en materia sólida. El hecho de saber cómo se distribuyen los elementos en el manto ahora —de forma homogénea, en parches de diferentes composiciones o en capas—, también nos dirá si el manto entero es una agitada y constante masa redistribuida de materia y calor. Esto nos daría una mejor idea de lo que impulsa los procesos como la tectónica de placas y el vulcanismo.

Las pistas sobre la composición del manto se limitan actualmente a muestras de rocas expulsadas por los volcanes, o las partes que se quedan expuestas, cuando unas porciones de las placas tectónicas no se deslizan perfectamente por debajo de uno u otro borde de las placas. Estas rocas se ven en algunas cadenas montañosas hacia los bordes de los continentes, como los Pirineos en Europa o los Alpes japoneses. Pero, ¿son representativos del manto entero o sólo de sus capas más superficiales? Para averiguarlo, necesitamos una forma de analizar el material más allá de las cámaras de magma de los volcanes y del alcance de nuestras perforaciones.

Entrada (o más bien salida) de neutrinos

Los neutrinos son partículas neutrales, prácticamente sin masa, que han salido mucho en los titulares últimamente, por su coqueteo con el rompimiento del límite de la velocidad de la luz. Sin embargo, existe una variante de antimateria, llamado electrón antineutrinos, que también son arrojados en gran número por las cadenas de desintegración radioactiva que se originan en los núcleos de uranio y torio de las rocas más profundas del interior de la Tierra.

¿Y en qué nos ayuda esto? Porque al igual que el silicio y todos aquellos otros elementos, el uranio y el torio estuvieron presentes, aunque en menor cantidad, en esa nebulosa solar, y se habrían condensado en cantidades diferentes a diferentes temperaturas. Si supiéramos la cantidad de uranio y torio que formó la Tierra, conoceríamos cuáles fueron estas condiciones y se podría extrapolar cuánto de todo lo demás cabría encontrar en su interior. Al rastrear dónde están distribuidos el uranio y el torio, también podemos empezar a entender los mecanismo internos de nuestro planeta. "La clave para entender los modelos de la Tierra es averiguar dónde y cuánto uranio y torio hay en el manto", señala el geofísico Steve Dye, de la Universidad del Pacífico de Hawaii en Kaneohe.

Y no hay mejor manera de hacerlo que contando el "geoneutrinos" que producen sus desintegraciones. Debido a que apenas interactúan con la materia normal, estas partículas viajan sin trabas a través del interior de la Tierra, permitiendo a los detectores cerca de la superficie atraparlos en su salida.

En teoría, por lo menos. En la práctica, la misma ligereza propia de los neutrinos les hace capaces de atravesar también nuestros detectores. La caza de geoneutrinos requiere habilidad y mucha paciencia.

Afortunadamente, hemos pasado la última década desarrollando precisamente eso. El Kamioka Líquid-Scintillator Antineutrino Detector (KamLAND), que entró en servicio cerca de la ciudad japonesa de Hida, en el año 2002, consta de 1.000 toneladas de una solución líquida transparente que, cuando es golpeada por un neutrino, emite un destello de luz. Se encuentra a 1 kilómetro bajo la superficie, para protegerlo mejor de los muones de los rayos cósmicos, cuyas señales son similares a los neutrinos.

En 2005, KamLAND vio una primera y débil señal de electrón antineutrinos desde los intestinos de la Tierra, pero se ahogó en un estruendo de antineutrinos producidos por la cercanía de las centrales nucleares. En 2007, una actualización del detector y el cierre temporal de una de las mayores plantas, permitió detectar la señal a través de su brillo. A finales de 2009, KamLAND había registrado 106 electrón antineutrinos con la energía adecuada proveniente de la desintegración del uranio y torio de la Tierra.

Entre tanto, el experimento Borexino también conseguía vislumbrarlos. En el Laboratorio Nacional Gran Sasso en Italia central, donde se sitúa este pequeño detector, fue construido para recoger los neutrinos de los procesos nucleares en el sol. La combinación de datos de ambos experimentos fue suficiente para producir las primeras predicciones geofísicas específicas de geoneutrinos: que la desintegración del uranio y el torio del manto y la corteza contribuye con unos 20 teravatios (TW) al calor que se escapa desde el interior de la Tierra (Nature Geoscience, vol 4, pág 647).

Este es el tipo de cantidades que necesitamos si vamos a empezar a determinar lo que yace ahí debajo. La Tierra irradia alrededor de 46 TW de calor a través de su superficie, a partir de las dos fuentes: el calor "radiogénico" producido por la desintegraciónn radiactiva, y el calor "primordial", almacenado durante la formación de la Tierra en forma de partículas que chocaron y de hierro hundido hasta el núcleo. El establecimiento de la cantidad de calor de la superficie que proviene de cada fuente tiene amplias ramificaciones para obtener nuestra imagen de la Tierra. Por ejemplo, ya sea que el material del manto transmite el calor lentamente, o sean las capas las que tengan una transferencia de calor limitada entre ellas, el poco calor primordial que haya será transportado desde las entrañas de la Tierra a la superficie. Si esto es así, la mayor parte del flujo candente de la Tierra (30 TW o más) debe ser de origen radiogénico. Los experimentos de neutrinos sugieren que la cifra real es más baja, lo que implica que el manto se mezcla relativamente bien.

Acertijos ocultos

El flujo de calor radiogénico también indica que el planeta tiene un contenido de uranio, en general, de unas 20 partes por cada mil millones.  Las rocas del manto expuestas contienen cantidades similares de uranio, lo que sugiere, de hecho, una representatividad del manto, y echa para atrás la idea de que el manto entero se mezcla de manera eficiente. Aunque también esconde un enigma. Las rocas expuestas del manto están dominadas por un mineral de silicato de hierro y magnesio, el olivino, y su contenido de uranio es sensiblemente superior al de una clase de meteoritos llamados condritas de enstatita. Desde hace mucho tiempo se pensaba que estos meteoritos eran representativos del material que hizo la Tierra, y que estaban dominados por otro material de silicato, el piroxeno. Eso plantea la cuestión de dónde está este material dominado por piroxeno, ¿oculto en profundos recobecos del manto, quizás? ¿O es que la composición de la Tierra difere de las condritas de enstatita?

La proporción de olivino a piroxeno en el manto de la Tierra es fundamental para determinar dónde y cuándo se formó el planeta de aquella nebulosa solar. El olivino se habría precipitado a una temperatura ligeramente más alta que el piroxeno, por lo que habría estado más cerca del sol, o al principio del proceso de construcción planetaria cuando las temperaturas eran más altas.

Estamos todavía muy lejos de las respuestas. Con las cantidades de geoneutrinos ya divisados, hay todavía mucho margen en la estimación del flujo de calor radiogénico: la cifra de 20 TW viene con un error de alrededor de ±9 TW, lo que hace difícil descartar cualquier escenario de composición del manto o de mezcla. Sólo con el KamLAND y el Borexino es probable que se pueda debatir el resto. Un tercer detector, que deberá activarse en 2013, podría marcar la diferencia.

Se trata de SNO+, situado a gran profundidad en el Observatorio de Neutrinos de Sudbury en Ontario, Canadá. Tiene el mismo tamaño que KamLAND, salvo que al estar bajo 2 kilómetros de roca, está mejor protegido de los muones de los rayos cósmicos. Y según cuenta McDonough, "no está rodeada por miles de linternas de neutrinos": hay muchos menos reactores nucleares en Ontario que en Japón. Con los mínimos recuentos de fondo, el SNO+ debería observar los geoneutrinos mediante una cubeta, que son neutrinos estándar al fin y al cabo. "Probablemente conseguirá detectar 25 geoneutrinos por año", señala Dye. En pocos años, podrían ser los suficientes para reducir el error en la medición de calor radiogénico y empezar a construir algunas certezas.

Esto es sólo el comienzo. Idealmente, queremos mapear de dónde vienen los geoneutrinos, y así obtener una imagen de fina textura de la distribución de uranio y torio y de la homogeneidad de la mezcla del manto. Eso significa sacar geoneutrinos de otras fuentes, como la corteza y el núcleo (ver Anexo), y requerirá de una red de detectores en busca de neutrinos provenientes de otros lugares y en diferentes ángulos. Eso nos permitiría averiguar más sobre algunas regiones particulares del manto, como las "super-plumas" por debajo de África y del Océano Pacífico, que se han invocado para explicar las zonas anómalas de actividad volcánica. La velocidad de las ondas sísmicas cae dramáticamente en estas regiones, que parecen extienderse desde la frontera del núcleo del manto hasta la mitad de camino hacia la superficie, lo que nos sugiere que dicho manto es menos viscoso y quizá un tanto más caliente. Un posible causa de esto puede ser que contenga grandes cantidades de uranio y torio en descomposición. Si es así, deben ser puntos candentes de geoneutrinos.


Un ambicioso proyecto propuesto por John Learned, de la Universidad de Hawaii en Manoa, con el apoyo de Dye y McDonough, sería el de ayudar a resolver estas cuestiones. El Observatorio hawaiano Anti-neutrino, o Hanohano, es un detector diseñado para entresacarlos con un barco y desde el fondo del océano. La sobrecarga de agua protegería al detector de rayos cósmicos de la confusión con los muones de rayos cósmicos. Es más, el fondo oceánico tiene la corteza más delgada, con un contenido de uranio 10 veces menor que la corteza continental. Un detector allí, vería una señal del manto con más pureza.

Pero eso es para el futuro, ahora los geoneutrinos ofrecer algunas respuestas a tener en cuenta. "Todo lo que tenemos que hacer es encontrarlos, algo aparentemente poco probable, y que podría cambiar nuestra visión de cómo funciona el planeta y cómo ha evolucionado", comenta Learned. Y lo que no es menos cierto para un indistinguible planeta como el nuestro de un brazo espiral de la Vía Láctea, es que también puede informarnos de cómo los demás planetas se formaron en otros lugares similares y bajo qué condiciones. Razón suficiente para que estos dichosos neutrinos aflojen las vendas, y nos ofrezcan una mejor visión de este gigante planetario que consideramos como nuestro.


Anexo: Fuentes internas
Las fuentes de confusión de neutrinos, desde los rayos cósmicos a las reacciones nucleares del sol y las propias plantas nucleares, son obstáculos familiares para los cazadores de "geoneutrinos" del interior de la Tierra. Sin embargo, para mapear sucesos del interior del manto terrestre, también tenemos que descartar los neutrinos de la corteza de la Tierra y del núcleo.

La corteza es una relativamente delgada capa respecto al manto, pero su proximidad a los detectores subterráneos significa que su señal de geoneutrinos puede abrumar a la del manto. Yu Huang, de la Universidad de Maryland, College Park, está usando los datos geológicos y sísmicos para caracterizar las formaciones rocosas de la corteza hasta la frontera con el manto, en una región que va a ser el centro de la próxima generación del experimento de neutrinos del SNO+ de Canadá. El objetivo es estimar la cantidad de uranio y el torio que hay ahí, y saber cuántos neutrinos se producen debido probablemente a sus desintegraciones. "Si somos capaces de eliminar la incertidumbre de la composición de la corteza continental en el área concreta alrededor del SNO+, podremos mejorar lo que sería la señal proveniente del manto de la Tierra", dice William McDonough, supervisor de Huang.

Entre tanto, en el núcleo parece que las cosas van bien. No hace mucho, los geofísicos pensaban que era probable que no hubiese suficiente uranio en el núcleo para que fuese un gigantesco reactor de fisión nuclear. Sin embargo, las simulaciones realizadas por McDonough y sus colegas, muestran que en altas temperaturas y presiones a las que se encuentran los océanos de magma que llenaban la Tierra primitiva, el uranio prefiere, casi exclusivamente, la compañía de los elementos que descubiertos en las rocas del manto, como el hierro y el níquel del núcleo (Geochimica et Cosmochimica Acta, vol 70, p 1537). La fisión nuclear también produce neutrinos que son más altos en energía que los producidos por la desintegración radiactiva del uranio y el torio. El experimento Borexino en el Laboratorio Nacional Gran Sasso, en Italia, ha puesto un tope límite para tales neutrinos procedentes del reactor natural del núcleo de la Tierra, atribuyéndoles a lo sumo una comparativamente insignificante 3 teravatios de calor de superficie para dichos procesos (Physics Letters B, tomo 687, p 299).


- Referencia: NewScientist.com.com, 30 de abril 2012 por Anil Ananthaswamy
- Título original: "Neutrinos: messengers from the underworld"
- Imagen 1): Los neutrinos que se escapan de las entrañas de la Tierra tienen historias fascinantes que contarnos acerca de nuestro planeta (Imagen: Simon Danaher). Imagen 2) Diagrama. crédito NewScientist.com.
- Imagen 3): Un diagrama que muestra el punto caliente de Hawaii y la pluma del manto subyacente, que se infiere en este corte de sección. 2006.

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