Muonii scot la iveală secrete despre structurile ascunse ale Pământului

În interiorul Marii Piramide egiptene de la Giza se află o cavitate misterioasă, cu un gol nevăzut de nici un om în viață și cu o suprafață neatinsă de mâinile moderne. Dar, din fericire, oamenii de știință nu mai sunt limitați de simțurile umane.

Pentru a simți contururile interiorului neexplorat al piramidei, oamenii de știință au urmărit traseele unor mici particule subatomice numite muoni. Aceste particule, născute la înălțime în atmosfera Pământului, s-au îndreptat spre suprafață și au străbătut piramida. Unele dintre particule au imprimat indicii despre ceea ce au întâlnit pe detectoarele sensibile din interiorul și din jurul piramidei. Traseele particulelor au dezvăluit prezența surprinzătoare a camerei ascunse, anunțată în 2017 (SN: 25/11/17, p. 6).

Această descoperire uimitoare a declanșat planuri printre fizicieni de a folosi muoni pentru a explora alte structuri arheologice. Iar unii cercetători folosesc tehnica, numită muografie, pentru a cartografia instalațiile sanitare ale vulcanilor. „Puteți vedea în interiorul vulcanului, într-adevăr”, spune geofizicianul Giovanni Leone de la Universidad de Atacama din Copiapó, Chile. Această vedere internă ar putea oferi oamenilor de știință mai multe informații despre cum și când este posibil ca un vulcan să erupă.

Muonii sunt peste tot pe suprafața Pământului. Aceștia sunt produși atunci când particule de mare energie din spațiu, cunoscute sub numele de raze cosmice, se lovesc de atmosfera Pământului. Muonii cad în mod continuu prin atmosferă sub diferite unghiuri. Când ajung la suprafața Pământului, particulele gâdilă interiorul structurilor mari, cum ar fi piramidele. Ele pătrund și în lucruri mai mici: Unghia degetului tău mare este străpunsă de un muon cam o dată pe minut. Măsurarea numărului de particule absorbite în timp ce trec printr-o structură poate dezvălui densitatea unui obiect și poate scoate la iveală eventualele lacune ascunse în interiorul acestuia.

Tehnica amintește de realizarea unei imagini uriașe cu raze X, spune Mariaelena D’Errico, fizician de particule la Institutul Național de Fizică Nucleară din Napoli, Italia, care studiază Muntele Vezuviu cu muoni. Dar „în loc de raze X, folosim … o sursă naturală de particule”, adică o sursă inepuizabilă de muoni, care provine de la Pământ.

Fizicienii au studiat de obicei razele cosmice pentru a înțelege mai bine universul de unde provin. Dar muografia dă peste cap această tradiție, folosind aceste particule cosmice pentru a afla mai multe despre părți ale lumii noastre care până acum erau necunoscute. În cea mai mare parte, spune fizicianul de particule Hiroyuki Tanaka de la Universitatea din Tokyo, „particulele care sosesc din univers nu au fost aplicate în viața noastră obișnuită”. Tanaka și alții încearcă să schimbe acest lucru.

modelul unui vulcan care arată traseele muonilor care trec prin vulcan în roșu și care ating detectoarele în albastru de cealaltă parte a vulcanului
Pentru a vizualiza mecanismele interne ale unui vulcan, oamenii de știință captează muoni care trec prin (o cale ilustrată în roșu) și pe detectoarele de particule (albastru). Prin determinarea locului în care muonii au străpuns vulcanul, oamenii de știință pot cartografia densitatea materialului.G. Bonomi et al/Progress in Particle and Nuclear Physics 2020

Nicio particulă nu se compară cu aceasta

Verișori incomozi ai electronilor, muonii pot părea o ciudățenie inutilă a fizicii. Când identitatea particulei a fost dezvăluită pentru prima dată, fizicienii s-au întrebat de ce există această particulă ciudată. În timp ce electronii joacă un rol crucial în atomi, muonii, mai grei, nu au un astfel de scop.

Dar muonii se dovedesc a fi ideali pentru realizarea de imagini ale interiorului obiectelor mari. Masa unui muon este de aproximativ 207 ori mai mare decât cea a unui electron. Această masă suplimentară înseamnă că muonii pot traversa sute de metri de rocă sau chiar mai mult. Diferența dintre un electron și un muon care trece prin materie este ca diferența dintre un glonț și o ghiulea, spune fizicianul de particule Cristina Cârloganu. Un perete poate opri un glonț, în timp ce o ghiulea trece prin el.

Muonii sunt din abundență, astfel încât nu este nevoie să se creeze fascicule artificiale de radiații, așa cum este necesar pentru a lua imagini cu raze X ale oaselor rupte în cabinetul medicului, de exemplu. Muonii „sunt gratis”, spune Cârloganu, de la CNRS și de la Institutul Național de Fizică Nucleară și a Particulelor din Aubière, Franța.

Un alt avantaj crucial al muonilor: „Ei sunt, de asemenea, foarte ușor de detectat”, spune fizicianul nuclear Richard Kouzes de la Pacific Northwest National Laboratory din Richland, Wash. Un detector simplu, realizat din benzi de plastic și senzori de lumină, va face treaba. Alte detectoare de muoni necesită puțin mai mult decât o versiune specializată de film fotografic. Nu există nicio altă particulă asemănătoare, spune Kouzes.

Muonii au o sarcină electrică negativă, la fel ca un electron. Antiparticulele lor, antimuonii, care cad de asemenea pe Pământ, au o sarcină pozitivă. Detectoarele de muoni captează urme atât de varietăți încărcate negativ, cât și pozitiv. Atunci când aceste particule trec prin material, pierd energie în diverse moduri, de exemplu, prin ciocnirea cu electronii și desprinderea acestora din atomi.

Odată cu această pierdere de energie, muonii încetinesc, uneori suficient pentru a se opri. Cu cât materialul este mai dens, cu atât mai puțini muoni vor reuși să ajungă la un detector plasat sub sau pe o parte a materialului. Astfel, obiectele mari și dense, cum ar fi vulcanii sau piramidele, aruncă o umbră de muoni. Iar orice goluri din interiorul acestor structuri vor apărea ca pete luminoase în interiorul acelei umbre, deoarece mai mulți muoni se pot strecura prin ele. Interpretarea unor astfel de umbre umbrite poate deschide o perspectivă asupra unor lumi ascunse.

Sondajul piramidelor

Muografia s-a dovedit a fi într-o piramidă. Una dintre primele utilizări ale tehnicii a avut loc în anii 1960, când fizicianul Luis Alvarez și colegii săi au căutat camere ascunse în piramida lui Khafre din Giza, o vecină ceva mai mică a Marii Piramide. Detectoarele nu au găsit niciun indiciu de camere neașteptate, dar au dovedit că tehnica funcționa.

Cu toate acestea, ideea a avut nevoie de timp pentru a prinde contur, deoarece detectoarele de muoni din epocă aveau tendința de a fi voluminoase și funcționau cel mai bine în condiții de laborator bine controlate. Pentru a repera muonii, echipa lui Alvarez a folosit detectoare numite camere de scântei. Camerele cu scântei sunt umplute cu gaz și plăci metalice aflate sub tensiune înaltă, astfel încât particulele încărcate care trec prin ele creează dâre de scântei.

Acum, datorită progreselor în tehnologiile din domeniul fizicii particulelor, camerele de scântei au fost în mare parte înlocuite. „Putem face detectoare foarte compacte și foarte robuste”, spune fizicianul nuclear Edmundo Garcia-Solis de la Universitatea de Stat din Chicago. Acești detectori pot fi proiectați pentru a funcționa în afara unui laborator atent controlat.

Un tip de detector rezistent este construit cu plastic care conține o substanță chimică numită scintilator, care eliberează lumină atunci când un muon sau o altă particulă încărcată trece prin el (SN Online: 8/5/21). Lumina este apoi captată și măsurată de un sistem electronic. Mai târziu în acest an, fizicienii vor folosi acești detectori pentru a arunca o nouă privire asupra piramidei lui Khafre, au anunțat Kouzes și colegii săi la 23 februarie în revista Journal for Advanced Instrumentation in Science. Suficient de compact pentru a încăpea în două valize mari de transport, detectorul „poate fi transportat în piramidă și apoi operat cu un laptop și asta e tot”, spune Kouzes.

Un tip de detector diferit, dar care necesită o întreținere deosebit de redusă, numit film cu emulsie nucleară, a fost crucial pentru a descoperi golul ascuns al Marii Piramide în 2017. Emulsiile nucleare înregistrează urmele de particule într-un tip special de film fotografic. Detectoarele sunt lăsate la locul lor pentru o perioadă de timp, apoi sunt aduse înapoi la un laborator pentru analiza urmelor imprimate în ele.

Fizicianul de particule Kunihiro Morishima de la Universitatea Nagoya din Japonia a ajutat la descoperirea camerei secrete prin munca la un proiect internațional numit ScanPyramids. „Emulsiile nucleare sunt ușoare, compacte și nu necesită o sursă de alimentare”, explică el. Acest lucru a însemnat că mai mulți detectoare au putut fi plasate în locuri de vizionare de primă mână într-una dintre camerele piramidei, Camera Reginei, și într-o mică nișă de lângă aceasta. Măsurătorile detectoarelor au fost completate cu detectoare cu scintilator din plastic în interiorul Camerei Reginei și cu detectoare pe bază de gaz în afara piramidei.

imagine a două rânduri de detectoare cu emulsie nucleară
Detectoarele de emulsie nucleară sunt suficient de compacte pentru a fi instalate într-o mică nișă lângă Camera Reginei din Marea Piramidă.Nagoya Univ.

De la descoperirea vidului, Morishima și colegii săi au efectuat măsurători suplimentare pentru a schița mai bine proprietățile acestuia. Echipa a plasat detectoare de emulsie în 20 de locuri din piramidă, precum și detectoare de gaz în mai multe locuri diferite. Folosind noua lor serie de instrumente, cercetătorii au determinat că golul are o lungime de peste 40 de metri. Scopul său este încă necunoscut.

O altă echipă de cercetători plănuiește un studiu mai amplu al Marii Piramide, plasând detectoare mult mai mari în afara piramidei. Detectoarele vor fi mutate periodic pentru a măsura muoni din mai multe unghiuri, a raportat echipa la 6 martie în revista Journal for Advanced Instrumentation in Science. Rezultatul, spune coautorul și fizicianul de particule Alan Bross de la Fermilab din Batavia, Illinois, va oferi o vedere tridimensională a ceea ce se află în interior (SN: 12/18/21 & 1/1/22, p. 44).

Piramidele din alte părți ale lumii sunt, de asemenea, supuse unei examinări mai atente. Garcia-Solis și colegii săi plănuiesc acum mutarea piramidei mayașe cunoscute sub numele de El Castillo de la Chichén Itzá din Mexic. Morishima și colegii săi, de asemenea, planifică lucrări asupra piramidelor mayașe.

Oamenii de știință speră că astfel de studii ar putea dezvălui noi camere sau caracteristici care nu sunt vizibile cu alte tehnici de a privi în interiorul obiectelor. Ultrasunetele, radarul de penetrare a solului sau razele X, de exemplu, pot pătrunde doar la o distanță scurtă de la suprafață, explică Bross. Muonii, pe de altă parte, oferă o imagine în profunzime. Pentru a studia piramidele, spune Bross, „muonii sunt într-adevăr ideali”.

Privind în interiorul unui vulcan

Vezuviul este o amenințare cunoscută în Napoli și în municipalitățile din împrejurimi care se înghesuie la flancurile vulcanului. Celebru pentru distrugerea orașului antic Pompei în anul 79 d.Hr., vulcanul a fost liniștit din 1944, când o erupție majoră a distrus mai multe sate din apropiere (SN: 2/29/20/20, p. 5). Dar, dacă ar erupe, ar pune în pericol viețile a aproximativ 600.000 de persoane care locuiesc cel mai aproape de el și multe altele din vecinătate.

„Vezuviul m-a speriat întotdeauna”, spune D’Errico. „M-am născut și trăiesc sub acest vulcan”. Acum, ca parte a experimentului Muon Radiography of Vesuvius, sau MURAVES, ea caută să înțeleagă mai bine vulcanul și pericolele sale.

Muntele Vezuviu
În condițiile în care Napoli și alte câteva comunități din Italia se află periculos de aproape de Muntele Vezuviu, oamenii de știință folosesc muografia pentru a încerca să prezică pericolele pe care le prezintă vulcanul.The Dronaut/Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)

Folosind detectoare de muoni la 1,5 kilometri de craterul vulcanului, echipa cartografiază densitatea muonilor – și, prin urmare, densitatea rocilor – în vârful conului Vezuviului. Într-o lucrare postată la 24 februarie pe arXiv.org, cercetătorii au prezentat indicii preliminare privind diferențele de densitate dintre jumătățile nord-vestică și sud-estică ale vulcanului. MURAVES colectează în continuare date; observațiile viitoare ar trebui să îi ajute pe oamenii de știință să înțeleagă detalii mai fine ale structurii interne a vulcanului, despre care se crede că este stratificată din cauza erupțiilor repetate.

Informațiile despre structura unui vulcan îi pot ajuta pe oamenii de știință să prezică la ce pericole să se aștepte în cazul unei eventuale erupții, cum ar fi locul unde ar putea avea loc alunecări de teren. Iar acest lucru i-ar putea ajuta pe oamenii de știință să știe ce măsuri trebuie luate pentru a reduce riscurile pentru oamenii care locuiesc în apropiere, spune Cârloganu, care a studiat cu ajutorul muografiei vulcanul latent Puy de Dôme, în apropiere de Clermont-Ferrand, Franța, și care lucrează acum la obținerea de imagini ale insulei Vulcano, denumită în mod corespunzător Vulcano, în Italia.

De exemplu, atunci când Muntele St. Helens din Washington a erupt în 1980, un întreg flanc al vulcanului s-a prăbușit. Dezastrul a ucis 57 de persoane și a provocat pagube pe scară largă. Știind unde se află slăbiciunile structurale ale unui vulcan, oamenii de știință ar putea ajuta oamenii de știință să prezică mai bine modul în care o erupție ar putea avea loc și ce zone se află în interiorul zonei de pericol, spune Cârloganu.

Cârloganu crede că muonii vor fi utili pentru a evidenția slăbiciunile structurale, dar nu pentru a da un avertisment când vulcanul va exploda. Alți cercetători sunt mai optimiști în ceea ce privește capacitatea muonilor de a da avertismente în timp util.

Muografia este coaptă pentru a fi inclusă în sistemele de avertizare timpurie a vulcanilor, au scris Leone, Tanaka și colegii lor în noiembrie anul trecut în Proceedings of the Royal Society A. Dar mai sunt necesare mai multe eforturi pentru a integra muografia cu alte metode consacrate care ajută la avertizarea cu privire la o erupție viitoare, spune Leone. Aceste metode includ măsurători seismice, precum și observații ale deformării solului și ale emisiilor de gaze vulcanice.

Tanaka și colegii săi studiază Sakurajima, unul dintre cei mai activi vulcani din lume, în apropiere de Kagoshima, Japonia. Unul dintre craterele vulcanului, craterul Showa, a erupt frecvent până în 2017, când activitatea s-a deplasat brusc către un alt crater, Minamidake. Compararea datelor muografice luate înainte și după această schimbare a arătat că o nouă regiune densă s-a format sub craterul Showa, au raportat Tanaka și colegii săi în 2019 în Geophysical Research Letters. Acest lucru sugerează motivul pentru care erupțiile Showa s-au oprit: A fost înfundat cu un dop dens de magmă solidificată, spune Tanaka.

Vulcanul Sakurajima cu o imagine muografică suprapusă
Muografia a scos la iveală un dop nou format de material mai dens (oval roșu) sub craterul Showa al vulcanului Sakurajima din Japonia. Această imagine muografică, realizată cu date luate în 2018 și suprapusă peste o fotografie a vulcanului, a sugerat motivul pentru care craterul a încetat să erupă. Culorile mai roșii indică un material mai dens, în timp ce albastrul este mai puțin dens.László Oláh și H.K.M. Tanaka

Aceste rezultate sugerează că oamenii de știință pot folosi muografia pentru a ajuta la prezicerea erupțiilor vulcanice, spune Tanaka. De fapt, folosind tehnici de învățare profundă pe datele muografice de la Sakurajima, Tanaka și colegii săi au raportat în Scientific Reports în 2020 că au reușit să prezică dacă vulcanul va erupe în ziua următoare, analizând datele din săptămâna precedentă. Tehnica a prezis corect zilele de erupție a vulcanului în peste 72% din cazuri și a prezis corect zilele fără erupție în peste 85% din cazuri.

La fel cum descoperirea razelor X a dezvăluit un mod complet nou de a vedea lumea, valorificarea muonilor ar putea schimba perspectiva noastră asupra mediului înconjurător. Atitudinile față de o particulă considerată cândva inutilă – nedorită și neiubită de fizicieni – au fost transformate. Într-o zi, poate, muonii ar putea salva vieți.