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给地球“拍个片”:科学家首次利用“幽灵粒子”测量地球质量

2018-11-11
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地球太大,我们不可能将它放入 X 射线或核磁共振成像扫描仪中,但西班牙的一群物理学家却发现了一种新方法——他们通过不断穿过地球的亚原子粒子来了解地球。


研究团队使用中微子来扫描地球内部的状况,甚至用这些中微子对整个地球的质量进行了测量。这项研究在 11 月 5 日发表在 Nature Physics 杂志上。


(来源:Nature Physics


中微子是一种十分古怪的粒子。它们是宇宙中丰度最高的粒子之一,但很难被检测。同时,中微子又很像电子几乎没有质量,但它们又不带电荷,因此它们很少与其他物质进行作用,因此中微子几乎以光速横穿整个宇宙


上百万的中微子现在就正在穿过你的身体。因此你可以想见为什么中微子被称作“幽灵粒子”。


虽然之前我们的检测技术还不发达,但埋在南极的 IceCube 的中微子探测器现已打开了中微子科学研究的大门。


通过 IceCube 几年来的宝贵数据,西班牙物理研究所(IFIC)的物理学家已经可以对地球内部进行研究。


对这些中微子的研究很像 X 射线。当你被 X 射线照射时,这些射线穿过你的身体,其中你身体的软组织如肌肉或器官可以轻易穿透,但更大密度的部分如骨骼则会吸收更高比率的射线,因此更少的 X 射线可以到达另一侧的探测器,这就生成了骨骼图像。


团队研究对象是大气中微子,这些来自太空的高能粒子与地球大气相撞时,会产生中微子雨。这些中微子将穿透地球,但也可能被它们穿过的材料的原子核吸收。


材料密度越大,吸收率越高,这就让研究团队可以对地球密度进行研究。


(来源:Nature Physics


IFIC 的物理学家 Sergio Palomares-Ruiz 解释说:“大气中微子使我们能够从各个方向获取,并具有广泛的能量分布和足够精确的已知通量。”


“大气中微子通量的吸收量取决于穿过材料的量以及中微子的能量,因此通过研究不同能量的中微子在不同方向上的吸收量的变化,我们可以确定地球的密度。”


不同角度是这里的一个重要因素。一些中微子直线穿过地球的核心,而其他中微子则以完全跳过核心的倾斜角度行进。


分析通量和角度为团队提供了计算行星密度的工具。


常规方法中,地球的密度是从地震产生的地震波的传播方式进行推断的。但是地震波无法穿透地核。


“另一方面,中微子经历了地球中的一切,提供了关于地核的宝贵信息,地球的磁性就产生于此。”IFIC 物理学家 Andrea Donini 说。


虽然团队并没有获得任何关于地球的新知识。通过中微子计算的地球内部的密度分布、质量和惯性矩斗鱼之前其他方法测量的结果一致。


但研究的重点是,我们可以从中微子中发现新东西。


“我们的研究结果证明了这种方法研究地球内部结构的可行性。这种方法是常规地球物理学方法的补充。”研究人员在论文中写道。


目前,中微子数据仍相对稀缺,研究人员希望通过更多的 IceCube 数据,鼓励未来更多的中微子科学。


-End-


编辑:戴青

参考:

https://www.sciencealert.com/ghost-particles-neutrinos-have-been-used-for-the-first-time-to-map-earth-s-interior



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