La vida secreta de los volcanes y la radiografía de muones Understand article

Traducido por Lucas Baeyens. ¿Cómo podemos averiguar lo que ocurre en el interior de un volcán? Utilizando rayos cósmicos.

El Vesubio en erupción, por
Johan Christian Dahl (1788–
1857)

Imagen de dominio público;
origen de la imagen: Wikimedia
Commons

Los volcanes son montañas fascinantes que combinan belleza y peligro oculto. La gente que vive en las proximidades de un volcán, como ocurre en Nápoles con el Monte Vesubio, percibe su presencia como la de un gigantesco ser viviente que podría atacar en cualquier momento. Esta convivencia afecta a su percepción de la vida: es hermosa, pero impredecible. ¿Cuánto tiempo pasará hasta que el Vesubio vuelva a entrar en erupción? Y, en general, ¿Qué es lo que ocurre en el interior de un volcán?

El Vesubio, que se alza
imponente sobre la ciudad de
Nápoles, entra en erupción en
1872. Fotografía de Giorgio
Sommer (1834-1914).

Imagen de dominio público;
origen de la imagen: Wikimedia
Commons

En la actualidad poseemos herramientas más allá de la especulación imaginativa para poder averiguar lo que ocurre en el interior de un volcán, aunque por desgracia son todavía muy limitadas. Los métodos actuales son indirectos; en uno de ellos, se utilizan explosiones de poca intensidad para propagar pequeños temblores alrededor del volcán, lo que proporciona información sobre el modo en el que se reflejan estas ondas sísmicas (como ecos) en rocas de distinta densidad. Mediante el uso de cálculos matemáticos complejos, estos datos proporcionarán detalles sobre la estructura interna del volcán.

Una nueva tecnología de captura de imágenes

La lluvia de partículas se
produce cuando un rayo
cósmico, una partícula
primaria acelerada en el
cosmos por mecanismos
misteriosos, nos alcanza e
interactúa con un núcleo
atómico en la atmósfera
terrestre. Los muones se
indican mediante el símbolo
«μ»; otros elementos que se
muestras son fotones (γ),
piones (π), neutrinos (ν) y
energía (e). Haga clic sobre la
imagen para ampliarla.

Imágen cortesía del Instituto
Max Planck de Astronomía
(Max Planck Institute for
Astronomy)

Nuestro proyecto, una colaboración entre diversos científicos de Italia, Francia, EE. UU. y Japón, tiene como objetivo desarrollar una manera innovadora de «ver» directamente el interior de un volcán. Nuestra intención es producir imágenes similares a las que proyectan los rayos X para poder ver el interior del cuerpo humano, pero en lugar de rayos X emplearemos muones (partículas penetrantes con una masa unas 200 veces superior a la de los electrones). Esta técnica se denomina radiografía de muones, de ahí el nombre del proyecto (proyecto Mu-Ray).

Cuando los rayos cósmicos (partículas de alta energía originarias del espacio exterior) interactúan con núcleos atómicos en la atmósfera terrestre producen cascadas de partículas secundarias en las que se originan, junto con otras partículas, los muones, que heredan la alta energía de sus progenitores los rayos cósmicos. Esta capacidad les permite atravesar las rocas, lo que hace que puedan ser detectados al otro lado del volcán. Al igual que los materiales densos (como el hueso) absorben un número mayor de rayos X, también absorben un número mayor de muones; esto nos proporciona la base para capturar imágenes del interior del volcán.

Imagen del Monte Asama, en
Japón, obtenida gracias a la
radiografía de muones. Se
pueden apreciar las rocas de
diferente densidad, en escala
de colores, al igual que la
forma interna del volcán.
Haga clic sobre la imagen
para ampliarla.

Imagen cortesía de
H T M Tanaka

La primera vez que se realizó una radiografía de muones fue en 1971. No para investigar el interior de los volcanes, sino el de la pirámide de Kefrén en Guiza, Egipto. El físico Luis Álvarez, ganador del premio Nobel, colocó un detector en el interior de la pirámide para captar cambios en el flujo de muones que pudieran indicar la presencia de una cámara mortuoria secreta. Sin embargo, no se encontró cámara alguna.

En 2007, Hiroyuki Tanaka y un grupo de colaboradores de la Universidad de Tokio aplicaron está técnica en un volcán por primera vez. Radiografiaron la parte superior del Monte Asama, un volcán situado en la isla de Honshu, en Japón. Se descubrió así una zona con rocas de baja densidad bajo el fondo del cráter. La presencia de este tipo de zonas puede utilizarse en simulaciones por ordenador que predicen cómo se podrían desarrollar posibles erupciones, indicando las zonas circundantes al volcán que pudieran sufrir un mayor peligro. Sus observaciones mostraron que la radiografía de muones puede producir, sin duda, imágenes valiosas de la estructura interna de los volcanes.

Aunque las ventajas de utilizar la radiografía de muones en volcanes son múltiples. En primer lugar, los métodos indirectos actuales pueden proporcionar información con una resolución espacial de unos 100 m, mientras que la radiografía puede ser diez veces más específica, y conseguir así mapear estructuras internas con una resolución de unos 10 m. En segundo lugar, la radiografía de muones ofrece la posibilidad de un seguimiento continuo, lo que podría revelar la evolución de dichas estructuras en el tiempo. La resolución temporal depende del grosor de las rocas que atraviesan los muones: cuanto más gruesas, más débil será el flujo de muones y más tiempo tardarán en acumularse los muones suficientes para realizar la imagen. De este modo, el tiempo necesitado podrían ser semanas, meses o años.

El principio de la radiografía de muones. Mientras atraviesan el volcán, los muones cuasi-horizontales son absorbidos por la roca que traspasan. Cuanto más densa sea la roca, más muones absorberá. El flujo hacia atrás (backward) se utiliza para la normalización.
Imagen cortesía de Nicola Graf

En este momento, la radiografía de muones se está utilizando por todo el mundo: en las Antillas Menores, en el volcán Puy de Dôme (Francia), y en el que representa el reto más desafiante para el proyecto Mu-Ray: el Vesubio. Unos detectores, denominados telescopios de muones, producen la imagen. Estos detectores, que utilizan tecnología avanzada en física de partículas, juegan un papel similar al de los rayos X en radiografías convencionales: detectan muones cuasi-horizontales que emergen de la estructura volcánica, tras atravesarla. El aparato revela la cantidad de muones absorbidos en cada dirección reconstruyendo el camino de cada uno de los muones a través del volcán. Las rocas más densas absorben más muones, por lo que el mapeado del flujo de muones proporcionará una imagen negativa de las densidades de roca del interior del volcán. Estas imágenes no pueden ayudar a predecir cuándo ocurrirá una erupción, pero, en combinación con otras observaciones, podría ayudar a prever el modo en el que ocurriría.

Retratos del Vesubio

El prototipo de telescopio de
muones, situado en el
Vesubio, del proyecto
Mu-Ray.

Imagen cortesía de Paolo
Strolin

El Vesubio supone un desafío especial, no solo por representar el mayor riesgo volcánico de Europa, sino también por su estructura inusual. De hecho, el Vesubio está situado dentro de los restos de un volcán mucho mayor, el Monte Somma. En la cumbre del Vesubio reside un cráter de 500 m de anchura y 300 m de profundidad, lo que supone que los muones deben atravesar casi dos kilómetros de roca para penetrar en la profundidad de la montaña y poder alcanzar el detector situado al otro lado del volcán. Solamente los muones de muy alta energía que se desplacen en dirección cuasi-horizontal serán capaces de atravesar toda la roca, por lo que su flujo será muy bajo y muy complicado de capturar en imagen. Esta situación explica por qué tanto este proyecto como el desarrollo de la radiografía de muones suponen un desafío tan grande.

El interior del Vesubio según
Atanasio Kircher (1602-
1680), de su obra Mundus
Subterraneus

Imagen de dominio público;
origen de la imagen: Wikimedia
Commons

Por tanto, para poder ver el interior del Vesubio necesitamos desarrollar un tipo nuevo de telescopio de muones que cubra un área mayor que los anteriores y detecte las suficientes partículas de un flujo tan bajo como para producir una imagen. También se requieren mejoras considerables en la distinción entre partículas relevantes para el experimento y muones de fondo. Estas mejoras consistirían en la medición del tiempo de vuelo de cada muón a través del telescopio para confirmar que la dirección que han tomado ha sido la correcta como para haber atravesado el volcán.

Un prototipo de telescopio con detectores colocados en 1 m2 de superficie (en contraste con los 10 m2 o más que se espera cubrir con el conjunto final de telescopios) lleva recogiendo datos del Vesubio desde primavera de 2013; datos que están siendo actualmente analizados. Estos detectores consisten en placas de centelleadores plásticos, una tecnología obtenida de la física de partículas. Dichas placas se pueden utilizar para cubrir zonas amplias y soportan tiempos largos de exposición. Además, son lo suficientemente fuertes como para resistir las condiciones volcánicas. También es importante remarcar que su consumo de energía es bajo, lo que hace que pueda ser alimentado por paneles solares, y que se trata de un equipo portátil para que pueda utilizarse en distintos emplazamientos. Esperamos dar el siguiente paso, según la financiación y la experiencia que obtengamos con el prototipo, con la construcción de dos conjuntos de telescopios, cada uno con una superficie total de 4 m2, para recoger datos durante un año o más.

Nuevas fronteras

Fotografía del Volcán
Cleveland, en las islas
Aleutianas, tomada por la
Estación Espacial
Internacional el 23 de mayo
de 2006. El volcán emitió una
columna de cenizas pero no
llegó a entrar en erupción.

Imagen cortesía de la NASA

Al mismo tiempo, vulcanólogos y físicos de partículas continúan trabajando en la radiografía de muones. Esta tecnología en expansión no solo supone una herramienta importante para el estudio de estructuras geológicas, sino que también posee posibles aplicaciones industriales. Poder ver el interior de reactores nucleares o comprobar el grosor de las paredes de altos hornos para poder ser reemplazadas a tiempo son buenos ejemplos de ello.

Junto con estas posibilidades, existe otra tecnología en desarrollo que augura capturas de imagen a mayor escala: la radiografía de neutrinos. Gracias a su extraordinario poder de penetración, los neutrinos producidos por rayos cósmicos que atraviesan la Tierra podrían proporcionar, en un momento dado, información sobre la densidad del núcleo de nuestro propio planeta.

Agradecimientos

El proyecto Mu-Ray ha sido fundado por el Istituto Nazionale di Fisica Nucleare y el Istituto Nazionale di Geofisica e Vulganologia, con el aporte del Ministerio italiano de Educación e Investigación (MIUR-PRIN), Fermilab (EE. UU.) y el IN2P3, Orsay (Francia) y el apoyo de la Provincia di Napoli y del Istituto Fondazione Banco di Napoli.

El autor desea expresar su profundo reconocimiento por las contribuciones a este campo de la investigación a H.K.M. Tanaka y A. Taketa (Instituto ERI, Tokio); K. Niwa y T. Nakano (Universidad de Nagoya); D. Gibert y J. Marteau (proyecto DIAPHANE); C. Carloganu (proyecto TOMUVOL); F. Ambrosino, G. Castellini, R. D’Alessandro, G. Iacobucci, M. Martini, M. Orazi y G. Saracino (proyecto Mu-Ray).

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Web References

Resources

Author(s)

Paolo Strolin es profesor emérito en la Universidad de Nápoles Federico II. Su formación científica se ha basado en la física de partículas, en particular la física de neutrinos. Su interés por la educación le ha llevado a involucrarse en el proyecto Scienza e Scuola, que aúna los esfuerzos de profesores de escuela, estudiantes e investigadores profesionales en el fomento del interés de la gente joven por el conocimiento científicow1.




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