Ricercatori dell'Amherst College e della Università del Texas ad Austin, hanno descritto una nuova tecnica che un giorno potrebbe rivelare in grande dettaglio la composizione e le caratteristiche delle profondità della Terra. La tecnica si basa su una quinta forza della natura (in aggiunta alla gravità, la forza forte e la forza debole del mondo nucleare e l'elettromagnetismo) non ancora rilevata, ma che alcuni fisici delle particelle pensano esistere. I fisici la chiamano interazione spin-spin a lunga distanza. Se esistesse, questa nuova forza esotica collegherebbe la materia in superficie con quella a centinaia o persino migliaia di km nelle profondità della Terra. In altre parole, i componenti degli atomi, elettroni, protoni e neutroni, separati da enormi distanze, si “percepirebbero”. Il modo in cui interagiscono potrebbe darci nuova informazione sulla composizione e le caratteristiche del mantello, poco compreso per la sua inaccessibilità.
“Il punto più sorprendente del progetto è stato lo scoprire che la fisica delle particelle potrebbe essere usata per studiare le profondità della Terra”, dice Jung-Fu “Afu” Lin, professore associato presso l'Università del Texas alla Jackson School of Geosciences e co-autore dello studio apparso su Science. Questa nuova forza potrebbe aiutarci a risolvere un dilemma scientifico. Quando gli scienziati della terra hanno cercato di modellare come fattori quale la concentrazione del ferro e le proprietà fisico-chimiche cambino con la profondità (per esempio sfruttando le onde sismiche dei terremoti o esperimenti di laboratorio che simulino le temperature e le pressioni in profondità), hanno ottenuto diverse risposte. La quinta forza, se esistesse, potrebbe riconciliare i risultati.
Il mantello della Terra è uno spesso strato che si trova tra la sottile crosta esterna e il nucleo interno, composto soprattutto di minerali ferrosi. Gli atomi in questi minerali e le particelle subatomiche che li compongono, hanno la proprietà dello spin. Lo spin è come una freccia che punta in una data direzione. Si pensa che il campo magnetico della Terra polarizzi leggermente alcuni degli elettroni in questi minerali del mantello, ovvero la direzione in cui ruotano non è più casuale, ma ha una preferenza. Questi elettroni sono stati chiamati geoelettroni. L'obiettivo del progetto era vedere se gli scienziati potessero usare la presunta interazione spin-spin a lungo raggio per rilevare la presenza di questi geoelettroni distanti. I ricercatori guidati da Larry Hunter, professore di fisica dell'Amherst College, hanno prima creato un modello al computer dell'interno della Terra, per mappare le densità attese e le direzioni di spin dei geoelettroni. Il modello è stato basato in parte su risultati ottenuti dagli esperimenti di laboratorio di Lin, che misurano gli spin dell'elettrone nei minerali ad alte pressioni e temperature. Questa mappa ha dato ai ricercatori degli indizi sulla forza e l'orientamento delle interazioni che si aspettavano presso il loro laboratorio ad Amherst.
In seguito, i ricercatori hanno usato apparati specifici per cercare le interazioni tra i geoelettroni del mantello e le particelle subatomiche in superficie. Gli esperimenti hanno essenzialmente esplorato se gli spin degli elettroni, dei neutroni e dei protoni in vari laboratori possano avere diversa energia, a seconda della direzione in cui puntano rispetto alla Terra. “Sappiamo, per esempio, che un magnete possiede una energia inferiore quando è orientato in senso parallelo al campo geomagnetico e si allinea con questa particolare direzione, così funziona la bussola”, spiega Hunter. “I nostri esperimenti hanno rimosso questa interazione magnetica e hanno tentato di scoprire una possibile altra interazione con i nostri spin sperimentali. Una interpretazione di questa “altra” interazione è che potrebbe essere una interazione a lungo raggio tra gli spin nei nostri apparati e quelli degli elettroni nella Terra, che sono stati allineati al campo geomagnetico. Questa è l'interazione spin-spin a lungo raggio che cerchiamo”.
Nonostante gli apparati non siano riusciti a rilevare tali interazioni, i ricercatori possono ipotizzare che, se esistono, sono incredibilmente deboli, non più di un milionesimo della forza di attrazione gravitazionale tra particelle. Per questo ora gli scienziati cercano di costruire strumenti più sensibili per scoprire la quinta forza. “Nessuno ha precedentemente pensato alle possibili interazioni tra gli elettroni con spin polarizzato della Terra e le misure di precisione in laboratorio”, dice Hunter. “Se in futuri esperimenti scopriremo le interazioni spin-spin a lungo raggio, i geoscienziati potranno usare tale informazione per comprendere in modo affidabile la geochimica e la geofisica delle profondità del nostro pianeta”, dice Lin.
© 2013 The University of Texas at Austin
Immagine: rappresentazione dell'interazione spin-spin a lungo raggio (linee blu) tra i rilevatori in superificie e i geoelettroni (punti rossi) nel mantello della Terra. Le frecce sui geoelettroni indicano l'orientamento dei loro spin, opposto a quello delle linee del campo geomagnetico (archi bianchi). Illustrazione: Marc Airhart (Università del Texas ad Austin) e Steve Jacobsen (Northwestern University)
Tradotto da Richard per Altrogiornale.org
Fonte: http://www.utexas.edu/news/2013/02/21/researchers-propose-new-way-to-probe-earths-deep-interior/