Met bijna gewichtsloze spookdeeltjes is de massa van de aarde bepaald. Spaanse onderzoekers keken naar de eigenschappen van neutrino’s die door de aarde vlogen en in de IceCube-neutrinodetector gemeten werden. Aan de hand daarvan konden ze de dichtheid en massa van onze planeet op een compleet nieuwe manier in kaart te brengen.

Neutrino’s zijn superlicht en ongeladen. Ze vliegen bijna overal doorheen. Ook de aarde is voor hen nauwelijks een hindernis. Enkel neutrino’s met veel energie botsen af en toe met atoomkernen in de aarde, waardoor ze gestopt worden. Dit klinkt misschien gek, maar bij deze kleine deeltje betekent een hoge energie meer kans op botsingen.

Dokter Dog wil graag even aan u ruiken
LEES OOK
Dokter Dog wil graag even aan u ruiken

Hoe groter de afstand die zulke hoogenergetische deeltjes door de aarde afleggen, hoe groter de kans dat ze onderweg op een atoomkern botsen en de andere kant niet bereiken. Of neutrino’s door de hele aarde vliegen, is dus afhankelijk van de energie van de neutrino’s en van de hoeveelheid atoomkernen die ze tegenkomen.

Atmosferische neutrino’s

De neutrino’s waar de Spaanse onderzoekers naar keken, zijn zogenoemde atmosferische neutrino’s. Die ontstaan in de atmosfeer wanneer kosmische straling botst met moleculen in de lucht.

Deze atmosferische neutrino’s hebben energieën van meer dan een paar tera-elektronvolt. Dat is precies de goede hoeveelheid energie: een deel van die neutrino’s wordt gestopt in de aarde, terwijl een ander deel er wel er doorheen vliegt. Hoe langer de afstand die de deeltjes afleggen en hoe hoger de dichtheid van atoomkernen onderweg, hoe minder van de hoogenergetische neutrino’s de andere kant van de aardbol bereiken.

De onderzoekers keken naar de energie en richting van de gedetecteerde neutrino’s. Uit de energie konden ze afleiden welk deel van de neutrino’s in de aarde achtergebleven was, en dus wat de dichtheid onderweg was. Aan de hand van richting van het deeltje bepaalden de onderzoekers welke afstand het had afgelegd. Ook konden ze zien of een neutrino alleen door de bovenste of ook door diepere aardlagen had gereisd. Zo brachten de onderzoekers de dichtheid van de verschillende schillen van onze planeet in kaart. Daaruit berekenden ze de massa.

a. Een neutrino kan verticaal door de kern van de aarde vliegen, of enkel door de buitenste laag. b. De kans dat een neutrino op zijn reis door de aarde gestopt wordt, neemt toe als zijn energie hoog is of als de afgelegde afstand lang is. Bron: Nature Physics News & Views, Véronique Van Elewyck

Nieuwe kijk op binnenste aarde

De nieuwe methode heeft laten zien dat de massa van de aarde 6,0 (±1,4) * 1024 kilogram is. Een zes met vierentwintig nullen. De ‘±1,4’ geeft aan wat de foutenmarge is, en dus hoeveel de echte waarde kan afwijken van dit getal.

De ‘nieuwe’ massa komt goed overeen met eerdere metingen, die zijn gedaan met gravitationele en seismologische technieken. Die kwamen uit op 5,97220 (±0,0006) * 1024 kilogram. De metingen naar de dichtheid van de verschillende aardschillen, zaten minder dicht bij de bekende waarden.

‘Het is een leuk artikel. Het beeld dat ze met neutrino’s maken van de aarde is volledig complementair aan alle andere methoden en geeft dus onafhankelijke informatie’, zegt hoogleraar Paul de Jong van het onderzoeksinstituut Nikhef in Amsterdam. De Jong is programmaleider bij een neutrinodetector die in de Middellandse Zee gebouwd wordt: KM3NeT. ‘Het is mooi dat ze aantonen dat dit kan. Maar hun model is nog vrij simplistisch en sommige onzekerheden zijn groot, omdat er nog niet veel meetgegevens zijn.’

De onderzoekers schrijven dat de neutrinometingen nog preciezer kunnen: met meer metingen en meer neutrinodetectoren, zoals de bovengenoemde KM3NeT. Die detector zal met honderden meetstation-bollen speuren naar neutrino’s in een kubieke kilometer zeewater. ‘Met KM3NeT kunnen we ook de massa en dichtheid van de aarde gaan bestuderen’, zegt De Jong. ‘Waarschijnlijk zelfs nauwkeuriger dan IceCube, omdat KM3NeT de richting van neutrino’s beter zal kunnen bepalen.’

IceCube-observatiecentrum op Antarctica. De detector is niet zichtbaar, die bestaat uit duizenden detectoren die ingevroren zitten in een kubieke kilometer ijs. Bron: Flickr, Eli Duke