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Les collisions entre les rayons cosmiques et les noyaux atmosphériques créent une pluie de neutrinos terrestre constante. Les minuscules particules neutres interagissent rarement avec d'autres matières, ce qui complique leur détection. Mais ce n'est rarement jamais le cas: lorsqu'un neutrino d'une énergie d'au moins quelques TeV traverse une surface aussi grande et dense que la Terre, il existe une faible probabilité, mais non négligeable, de son absorption. L’idée d’analyser cette absorption pour en savoir plus sur la structure interne de la planète a été proposée pour la première fois il ya plus de 40 ans. Mais jusqu'à récemment, les détecteurs de neutrinos n'étaient pas assez gros pour observer un nombre suffisant de particules pour une telle étude.
L'observatoire IceCube Neutrino, qui englobe un kilomètre cube de glace près du pôle Sud, a collecté son premier jeu de données à son plein fonctionnement en 2011-12. Sergio Palomares-Ruiz et Andrea Donini à l'Institut de physique corpusculaire (Conseil national de recherche espagnol et Université de Valence) et Jordi Salvado à l'Institut de sciences du cosmos (Université de Barcelone) ont maintenant utilisé les données accessibles au public étudier la densité radiale de la Terre. Ils ont examiné les neutrinos atmosphériques, dont le nombre et la distribution d'énergie sont connus, et ont examiné le nombre de neutrinos qui ont traversé la Terre jusqu'au détecteur. À chaque angle de détection, les neutrinos ont traversé un paysage de densité différente, comme illustré dans la figure ci-dessus. Les chercheurs ont utilisé la probabilité d'absorption d'un neutrino, qui dépend à la fois de la longueur du trajet et de la densité, pour construire un profil de densité radiale unidimensionnel.
Le nombre de neutrinos atmosphériques d'énergies supérieures à 5 TeV qui ont traversé le centre de la Terre était environ la moitié de ce à quoi les chercheurs pourraient s'attendre si aucun d'entre eux n'était absorbé. L'atténuation diminue avec la diminution de l'énergie et de la longueur du trajet jusqu'à ce qu'elle devienne incommensurable. Les chercheurs ont utilisé la réduction de neutrinos pour déterminer la densité moyenne de chaque couche de la figure. Bien que les mesures basées sur les neutrinos comportent une grande incertitude, la valeur calculée de la masse de la Terre est en bon accord avec la valeur actuellement acceptée, comme indiqué par la ligne pointillée rouge dans le graphique de gauche ci-dessous. Les chercheurs ont également découvert une fraction plus importante de la masse de la Terre, représentée dans le graphique de droite, que les 33% estimés par les modèles de densité géophysique (ligne pointillée rouge). Cependant, la valeur précédemment acceptée se situe dans l'intervalle de crédibilité de 68%, de sorte que la différence n'est pas statistiquement significative.
La tomographie neutrino de la structure interne de la Terre fournit une mesure indépendante de sa composition qui peut être utilisée en complément des données sismologiques. La méthode démontre la première mesure de la masse de la Terre en utilisant la force faible au lieu de la force gravitationnelle. Les neutrinos fournissent également des informations supplémentaires sur le noyau de la Terre: peu d’ondes sismiques traversent le noyau, contrairement aux plus longues trajectoires de neutrinos. Les mesures devraient s'améliorer à mesure que davantage de données seront disponibles d'IceCube et du futur détecteur KM3NeT à l'échelle kilométrique situé au fond de la mer Méditerranée. (A. Donini, S. Palomares-Ruiz, J. Salvado, Nat. Phys., 2018, doi: 10.1038 / s41567-018-0139-1.)
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