Tomografía con muones

El pasado 17 de enero, mientras desayunaba, leí un titular que decía así: “Encuentran partículas que podrían resolver el origen de las pirámides de Egipto”. Me picó la curiosidad, ya que se afirmaba que dichas partículas descubiertas en el interior de la Pirámide Sur de Dashur podrían explicar el sistema de construcción de estas maravillas egipcias. Pero se me hacía tarde y, como tantos otros artículos interesantes, lo dejé para leer luego. Al día siguiente otra noticia (“Hallan indicios de cámaras ocultas en la Pirámide de Keops“) relacionada me recordó que ya no podía dejar pasar más tiempo sin leer de qué iba esto.

Pirámide Sur de Dashur

Es obvio que los dos titulares anteriores son sensacionalistas y que los modificaron para ajustarse mejor a lo que era la noticia. Aunque el hecho de anunciar haber detectado unas partículas tan reveladoras dejó sorprendidos a los arqueólogos, físicos, geólogos y demás científicos involucrados.

Sin embargo, este hallazgo no es algo nuevo, porque en octubre de 2015 ya se publicó un artículo que explicaba bien la noticia y la técnica empleada: “Escanear las pirámides del Antiguo Egipto para desvelar sus secretos”. La noticia incluye un vídeo incrustado de sólo dos minutos que detalla la metodología empleada. Os recomiendo que le echéis un vistazo, es muy didáctico:

https://vimeo.com/145399600

Scan Piramids Mission es un proyecto ambicioso respaldado por el gobierno de Egipto en el que participan varios organismos y empresas. Cuentan con una buena financiación para llevar a cabo tres tipos diferentes de estudios de todos los monumentos de interés: un escaneo mediante láseres fijos (apoyados en trípodes) y móviles (teledirigidos mediante drones); una termografía de infrarrojos para tener imágenes 3D de las distintas temperaturas y flujos de calor y por último imágenes 2D y 3D mediante la detección de muones, que es de lo que os quiero hablar en este post.

El muón fue una de las primeras partículas elementales que se descubrió como un elemento no perteneciente (en forma directa) al átomo. La carga eléctrica del muón es igual a la del electrón, pero tiene una masa 200 veces mayor. Los muones se producen de forma artificial en los centros de experimentación (CERN, Los Álamos,…) y de forma natural como consecuencia de la interacción de los rayos cósmicos con nuestra atmósfera, tal como se ilustra en la figura 1. La página web de la Agencia Espacial Europea (ESA, por sus siglas en inglés) ofrece información general multimedia sobre los rayos cósmicos.

Figura 1. Cascada de partículas generadas por la interacción de los rayos cósmicos con las capas altas de la atmósfera terrestre. Cortesía http://tandem.nipne.ro/~muon1/detector/

Por lo tanto, los muones son partículas radiactivas (se desintegran en otras) que están presentes en todo el Universo y que proceden fundamentalmente del viento solar y del fondo galáctico. La Tierra está siendo constantemente bombardeada por dicha radiación cósmica, por consiguiente hay una incidencia contínua de muones sobre la superficie terrestre. Su energía es tan elevada que son capaces de atravesar grandes espesores de materiales (piedras, metales, rocas, edificios…), pero a medida que atraviesan capas van perdiendo intensidad. Si dichos muones son medidos por un detector, se obtendrá una “radiografía muónica”. Si se dispone de varios detectores en distintas posiciones se obtiene mucha más información y, posteriormente mediante un algoritmo matemático, se puede realizar una reconstrucción de una imagen 3D (tomografía) de aquéllo que hayan atravesado nuestros muones de interés. De esta forma, si se colocan adecuadamente detectores de muones en el interior de una pirámide egipcia, se podrá saber si las paredes del edificio son sólidas o si hay huecos (por ejemplo, cámaras ocultas aún no descubiertas), si hay fisuras estructurales importantes, si hay objetos muy densos aún por descubrir… Y por eso las noticias sensacionalistas iniciales decían que estas partículas eran reveladoras y que aportarían mucha información a los egiptólogos.

Si os interesa este tema y queréis saber más, os remito a un podcast de 14 minutos en el cual se entrevista a Javier Sierra y explica bastante bien lo que hasta aquí os he contado. Pero si preferís leer la transcripción del podcast os dejo este otro enlace. Ahora seguro que muchos me diréis que 4º Milenio no es científico y que en ciencia eso de la “nave del misterio”, «como que no pega». Es cierto, pero este podcast sí merece la pena, hacedme caso.

Detectores y Física de la Tomografía con muones

Hasta aquí ha sido la parte divulgativa, ahora me introduciré en la parte más técnica para explicar cómo se detectan los muones, cuáles son sus aplicaciones y los proyectos actuales. Así que si sólo queréis saber de qué iba esto ya habréis leído bastante y no os hará falta más hard info. Pero los que tengáis interés por conocer más acerca de estas partículas, podéis seguir leyendo.

El primer experimento para detectar muones lo llevó a cabo un equipo dirigido por el físico Luis Walter Álvarez a finales de los años 60. Álvarez, de origen español y nacido en San Francisco, fue galardonado con el premio Nobel en 1968 por su contribución a la física de partículas.

Fig. 2. Experimento de L. W. Álvarez. Cortesía Jacques Marteau.

Figura 2. Experimento de L. W. Álvarez. Cortesía Jacques Marteau.

Álvarez utilizó un dispositivo parecido a las películas radiográficas actuales (ver Figura 2), pero más sofisticado, tal que los muones dejaban su rastro en ellas. Por el tipo de trazas detectadas, este detector se denominó “cámara de chispas”. El trabajo fue arduo, ya que el tiempo de detección era de días (¡incluso semanas!) y la resolución y exactitud no tan buenas como se hubiese deseado, por lo que a pesar de la tenacidad de los investigadores, los resultados no fueron del todo satisfactorios. Además estalló el conflicto entre Egipto e Israel (la Guerra de los Seis Días) y con sólo un 20% escaneado de la pirámide de Keops se abortó el proyecto. Álvarez y colaboradores presentaron, con los resultados que disponían, un informe ante la American Physical Society, pero siempre quedó la incógnita de qué habría pasado si se hubiese finalizado la investigación.

Actualmente las películas de emulsiones (detector a base de bromuro de plata) presentan una gran resolución espacial en la radiografía con muones. Por otra parte la lectura se realiza mediante microscopios electrónicos automatizados, herramienta que ya hubiera gustado tenerla a Álvarez, porque habría obtenido mucho mejores resultados. Además, estas radiografías presentan la ventaja de no necesitar alimentación externa para su funcionamiento, ya que su lectura se efectúa offline.

Pero los equipos más utilizados son las tiras de detectores de centelleo plástico y las cámaras de placas de resistencias, ya que permiten el procesado online de los sucesos y una mejor reconstrucción tomográfica. Los muones llegan a la superficie de la Tierra con un rango de energías entre 1-1000 GeV e interaccionan con la materia de dos formas principalmente: perdiendo energía por interacción electromagnética que produce electrones tras la ionización a su paso por el medio, y dispersiones culombianas múltiples (MCS, siglas en inglés) con los núcleos generándose un cambio respecto a la dirección inicial. En otros casos los muones pierden suficiente energía y se absorben en el medio. A groso modo, se depositan unos 2,2 MeV de energía por gramo y cm². En la tabla inferior (Tabla 1) se muestra una estimación de la energía perdida por los muones al atravesar 10 cm de varios materiales.

Tabla 1. Cortesía Larry Joe Schultz

Se define como alcance a la distancia que recorre una partícula en un medio hasta que se detiene por completo. En la Tabla 2 se ilustra el alcance para muones de varias energías.

Tabla 2. Cortesía Larry Joe Schultz

Según el medio que se quiera radiografiar con muones (una pirámide, una parte de una montaña) lo atravesarán más o menos muones en función de su densidad y grosor. A nivel del mar hay un flujo de unos 10,000 muones m²min^-1. Para tener una buena resolución habrá que registrar muchos sucesos, lo cual hace que las medidas pueden ser muy largas antes de ser procesadas. Hay que tener en cuenta que el flujo de muones no es uniforme para todas las energías y además depende del ángulo de detección. Por tanto, amigos tomográficos muónicos, mucha paciencia (ahora me acuerdo de nuevo de Álvarez… ¡ay! qué lastimica).

Los detectores de centelleo y las cámaras de placas usan las MCS para registrar los sucesos. La incertidumbre de las medidas disminuye a medida que aumenta la energía de los muones, por lo que se suelen diseñar para detectar los muones alta energía, que además son los más penetrantes. El tipo de material también es importante, así un modelo de detector estándar es montar tres superficies de distintas densidades (hormigón-hierro-plomo por ejemplo) alineadas (ver Figura 3), tal que los muones atraviesan dichas superficies. Las dispersiones producidas permiten segregar las interacciones (de baja-media-alta energía) y realizar medidas bastante precisas.

Figura 3. Instalación de un detector de muones con tres planos de 1 m2 cada uno. En la jerga, son denominados telescopios. Cortesía Larry Joe Schultz.

Aplicaciones y proyectos actuales

Dejaré ya de lado las pirámides, porque he hablado bastante. Antes de que la tomografía con muones se aplicara a las pirámides en su forma actual, se inició con éxito en la monitorización de volcanes activos en Japón. Fueron Hiroyuki Tanaka y colaboradores los que consiguieron en 2007 por primera vez radiografiar un volcán, concretamente la parte superior del monte Asama. Los resultados demostraron la existencia de rocas de baja densidad debajo del cráter, es decir, lava. La computarización de los datos pudo simular posibles erupciones y advertir qué zonas terrestres estarían expuestas a mayor peligro (ver Figuras 4 y 5).

Figura 4. Ubicación de un detector. En la práctica hay varios, pero todos por debajo del cráter. Cortesía de H.K.M. Tanaka

Figura 5: Detección experimental de material de baja densidad debajo del cráter.

Actualmente hay un proyecto ambicioso, el Mu-Ray Project, que usa los rayos cósmicos para la tomografía de volcanes. Decidir dónde colocar los detectores, cuántos e incluso el diseño de los mismos es una tarea primordial en este campo. La simulación Monte Carlo (MC) ha ayudado muchísimo, de tal forma que se puede realizar una simulación a partir de reconstrucciones 3D (recordad el mapeo en 3D del Scan Pyramids Mission), decidir la ubicación óptima de los detectores y la cantidad, ya que no pasarse del presupuesto es importante. También se podrá estimar cuánto demorará la toma de datos e incluso modificar el diseño de los detectores. El código MC más usado para este campo es el GEANT 4.

Recientemente la aplicación industrial de la tomografía de muones se dio a conocer cuando fue usada en la desgraciada central nuclear de Fushima para advertir de las posibles fisuras en el blindaje del reactor. Una vez reparada la avería, fue muy útil poder radiografiar las zonas de interés y verificar si estructuralmente estaban bien selladas (ver Figura 6). Si queréis ver un buen resumen os dejo este vídeo de 4 min donde se cuenta muy bien y se muestran los resultados obtenidos.

Figura 6. Disposición de los detectores de muones alrededor del reactor nuclear dañado. Cortesía Decision Sciences International Corporation (DSIC).

De la misma forma, es posible usar esta misma técnica para detectar objetos muy densos dentro otros poco densos, y viceversa. Así, los países integrantes del tratado de no proliferación de armas nucleares están planteándose instalar estos detectores en zonas de paso de mercancías, como puertos, aeropuertos, instituciones militares, políticas y centros de investigación. Podéis leer este pdf completo de la IAEA que contiene mucha información al respecto.

Todo esto no hubiera sido posible sin el Laboratorio Nacional de los Álamos (LANL) en EE.UU. A mediados de los noventa desarrollaron la radiografía con protones con multitud de aplicaciones. Más adelante tuvieron la idea de usar muones en vez de protones, dando lugar a la tecnología que he explicado en este post.

En un futuro próximo…

El desarrollo de la tomografía de muones nace de la necesidad de radiografiar objetos muy grandes, como ya he hablado (pirámides, volcanes, contenedores de mercancías,…). Pero si nos planteamos obtener imágenes a mayor escala, como por ejemplo planetas, ¿cómo lo haríamos? Pues será muy fácil cuando se desarrolle la radiografía de neutrinos. Gracias a que los neutrinos son capaces de atravesar planetas enteros e interaccionar muy poco, podrán proporcionar (tiempo al tiempo, Figura 7) datos sobre su densidad y especular sobre la geofísica planetaria.