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Artículo publicado el 21 de febrero de 2013 en la Universidad de Texas

Investigadores del Amherst College y la Universidad de Texas, en Austin, han descrito una nueva técnica que podría, algún día, revelar en mayor detalle que nunca antes, la composición y características del interior de la Tierra.

Solo hay un problema: la técnica depende de una quinta fuerza de la naturaleza (además de la gravedad, las fuerzas nucleares fuerte y débil, y el electromagnetismo), que aún no ha sido detectada, pero que algunos físicos de partículas piensan que existe. Los físicos conocen a esta fuerza como interacción espín-espín de largo alcance. De existir, esta nueva y exótica fuerza, conectaría la materia en la superficie de la Tierra con aquella a cientos, o incIuso miles, de kilómetros por debajo, en las profundidades del manto. En otras palabras, los bloques básicos de los átomos – electrones, protones y neutrones – separados por enormes distancias, “sentirían” la presencia de los demás. La forma en que interactúan estas partículas podría proporcionar nueva información sobre la composición y características del manto, que se conoce muy poco debido a su inaccesibilidad.

Corte de la Tierra

Corte de la Tierra


“Lo más gratificante y sorprendente de este proyecto es darnos cuenta de que la física de partículas realmente podía usarse para estudiar las profundidades terrestres”, dice Jung-Fu “Afu” Lin, profesor asociado en la Facultad Jackson de Geociencias de la Universidad de Texas en Austin, coautor del estudio que aparece en el ejemplar de esta semana de la revista Science.

Esta nueva fuerza podría ayudar a zanjar un dilema científico. Cuando los científicos de la Tierra han tratado de modelar cómo varían con la profundidad factores tales como la concentración de hierro, o las propiedades físicas y químicas – por ejemplo, usando el temblor de un terremoto cuando viaja a través de la Tierra, o mediante experimentos de laboratorio diseñados para imitar las intensas presiones y temperaturas de las profundidades terrestres – obtienen distintas respuestas. La quinta fuerza, suponiendo que exista, podría ayudar a reconciliar estas distintas pruebas contradictorias.

El manto de la Tierra es una gruesa capa geológica, entre la fina corteza exterior y en núcleo central, compuesta mayormente por minerales de hierro. Los átomos de estos minerales y las partículas subatómicas que forman los átomos tienen una propiedad que se conoce como espín. El espín puede verse como una flecha que apunta a una dirección concreta. Se cree que el campo magnético de la Tierra provoca que algunos electrones de los minerales del manto queden con su espín polarizado, lo que significa que las direcciones de sus espines no son completamente aleatorias, sino que tienen una orientación preferida. Estos electrones se conocen como geoelectrones.

El objetivo de este proyecto era ver si los científicos podrían usar la interacción propuesta, de espín-espín de largo alcance, para detectar la presencia de estos geoelectrones lejanos.

Los investigadores, dirigidos por Larry Hunter, profesor de física en el Amherst College, crearon primero un modelo de ordenador del interior de la Tierra, para cartografiar las densidades esperadas y direcciones del espín de los geoelectrones. El modelo se basa, en parte, en el conocimiento logrado gracias a los experimentos en el laboratorio de Lin, que miden el espín de los electrones en minerales a las altas presiones y temperaturas del interior de la Tierra. Este mapa dio a los investigadores pistas sobre la fuerza y orientación de las interacciones que podrían esperar detectar en la posición específica de su laboratorio, en Amherst, Massachusetts.

Segundo, los investigadores usaron un aparato especialmente diseñado para buscar interacciones entre los geoelectrones de las profundidades del manto y las partículas de la superficie terrestre. Los experimentos del equipo, básicamente, exploraron si los espines de los electrones, neutrones o protones de distintos laboratorios tenían una energía diferente, dependiendo de la dirección hacia la que apuntaban con respecto a la Tierra.

“Sabemos, por ejemplo, que un imán tiene una energía menor cuando está orientado en paralelo al campo geomagnético, y se alinea con esta dirección en particular – así es como funciona una brújula”, explica Hunter. “Nuestros experimentos eliminaron esta interacción magnética, y miraron si podría haber alguna otra interacción con nuestros espines experimentales. Una interpretación de esta “otra” interacción es que podría ser una interacción a larga distancia entre los espines de nuestro aparato y los espines de los electrones de la Tierra, que se han alineado gracias al campo geomagnético. Esta es la interacción espín-espín de largo alcance que estábamos buscando”.

Aunque el aparato no pudo detectar ninguna de estas interacciones, los investigadores al menos pudieron deducir que, de existir, deben ser increíblemente débiles – no más de una millonésima parte de la fuerza de la atracción gravitatoria entre las partículas. Esta es una información útil para los científicos, ahora que buscan formas de construir instrumentos aún más sensibles para buscar la esquiva quinta fuerza.

“Nadie había recapacitado antes sobre las posibles interacciones que podrían aparecer entre los electrones con espín polarizado de la Tierra y las medidas de precisión del espín realizadas en laboratorio”, dice Hunter.

“Si se descubren las interacciones espín-espín de largo alcance en futuros experimentos, los geocientíficos pueden usar tal información para comprender, de una manera fiable, la geoquímica y geofísica del interior del planeta”, señala Lin.

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