Viaţa secretă a vulcanilor revelată prin radiografie cu miuoni Understand article

Tradus de Mircea Băduţ. Cum aflăm ce se întâmplă în interiorul unui vulcan? Folosind raze cosmice!

Erupţie în Muntele Vezuviu,
de Johan Christian Dahl
(1788–1857)

Imagine din domeniul public;
sursa imaginii: Wikimedia
Commons

Vulcanii sunt nişte munţi fascinanţi, combinând frumuseţea cu pericolul ascuns. În apropierea unui vulcan activ, precum Muntele Vezuviu din Neapole, Italia, oamenii îi simt prezenţa ca pe cea a unei fiinţe uriaşe care îi poate ataca oricând. Această teamă le afectează atitudinile şi concepţiile: viaţa este frumoasă dar neprevăzută. Cât va dura până când Vezuviul va erupe din nou? Şi ce se întâmplă în adâncimile vulcanului?

Dominând din înălţime oraşul
Neapole, Vezuviul a erupt
dramatic în 1872. Fotografie
de Giorgio Sommer (1834-
1914).

Imagine din domeniul public;
sursa imaginii: Wikimedia
Commons

Dispunem astăzi de unelte greu de imaginaţie, capabile să afle ce se întâmplă cu adevărat înăuntrul vulcanilor, dar – din nefericire – ele sunt totuşi limitate. Metodele actuale sunt unele indirecte. De exemplu, o metodă foloseşte mici explozii controlate pentru a propaga în sol uşoare tremurături în jurul vulcanului. Se obţin deci informaţii despre modul în care aceste mici cutremure artificiale sunt reflectate (ca ecouri) de către rocile de diferite densităţi. Folosind algoritmi matematici, datele colectate pot furniza detalii despre structura internă a vulcanului.

O nouă tehnologie imagistică

Duşul de particule produ
când o rază cosmică – o
particulă primară accelerată
prin mecanismele
misterioase ale Cosmosului
îndepărtat – ajunge aici şi
interacţionează cu nucleii de
atomi din atmosfera Terrei.
Miuonii sunt marcaţi cu
simbolul μ; alte particule
prezente sunt fotonii (γ),
pionii (π), neutronii (ν), şi
energia (e). Faceți clic pe
imagine pentru a o mări.

Pentru imagine mulţumim
Institutului pentru Astronomie
“Max Planck”

Obiectivul proiectului nostru – proiect constituit ca o colaborare între cercetători din Italia, Franţa, SUA şi Japonia – este să dezvolte o nouă metodă de a ‘vedea’ direct înăuntrul vulcanilor. Dorim să producem imagini de umbre similare acelor imagini cu raze X care ne permit să vedem prin corpul uman. Dar, în loc de raze X, noi folosim miuoni (particule elementare penetrante având masa de 200 de ori mai mare decât cea a electronului), de aici şi numele proiectului: Mu-Ray. Tehnica este cunoscută sub numele de radiografie miuonică.

Miuonii sunt generaţi, laolaltă cu alte particule, când razele cosmice (particule de energie înaltă venind din spaţiul cosmic) interacţionează cu nuclei de atomi din amtosfera terestră producând ‘duşuri’ de particule secundare. Miuonii moştenesc energia înaltă a razelor cosmice părinte, ceea ce le permite să penetreze şi să treacă prin rocile vulcanului şi să fie detectate de cealaltă parte a muntelui. Deoarece materialele mai dense absorb mai intens miuonii (la fel cum ţesuturile mai dense, precum oasele, absorb mai multe raze X), efectul ne furnizează o bază pentru producerea de imagini, umbrite diferenţiat, ale interiorului de vulcan.

Imagine obţinută prin
radiografierea miuonică a
vulcanului Asama din
Japonia. Densităţile diferite
ale rocilor apar într-o
legendă a culorilor, iar
interiorul vulcanului poate
fi văzut cu claritate. Faceți
clic pe imagine pentru a o
mări.

Pentru imagine mulţumim
H T M Tanaka

Radiografia miuonică a fost utilizată pentru prima oară în 1971 – dar nu pentru vulcani, ci pentru a cerceta interiorul piramidei lui Chefren din Giza, Egipt. Fizicianul Luis Alvarez, laureat al premiului Nobel, a plasat un detector cu miuoni în interiorul piramidei care să capteze modificările din fluxul de miuoni (rata de trecere a miuonilor) pentru a investiga prezenţa vreunei camere mortuare ascunse. Totuşi, atunci nu a fost găsit nimic.

În 2007, Hiroyuki Tanaka şi colaboratorii săi de la Universitatea din Tokyo au fost primii care au aplicat tehnica aceasta la vulcani. Ei au radiografiat partea de sus a vulcanului Asama din Honshu, Japonia, care s-a dovedit a fi o zonă cu roci de mică densitate sub baza craterului. Prezenţa zonelor de joasă densitate poate fi folosită în simulările pe calculator pentru a pronostica apariţia de erupţii şi pentru a indica cele mai afectate zone din jurul vulcanului. Observaţiile lor au arătat că radiografia cu miuoni poate cu adevărat să producă imagini folositoare ale structurii interne a vulcanilor.

Avantajele cu adevărat importante ale radiografiei miuonice sunt duble. Mai întâi, pentru că, în timp ce metodele indirecte actuale furnizează informaţii la o rezoluţie spaţială de 100 metri, radiografia cu miuoni poate ajunge să fie de zece ori mai clară, cartografiind structuri interne la o rezoluţie de 10 metri. Apoi, pentru că radiografia miuonică oferă posibilitatea monitorizării continue, deci poate capta şi evoluţia în timp a structurilor. Însă rezoluţia de timp depinde de grosimea rocilor traversate de miuoni: cu cât stânca este mai groasă cu atât mai slab este fluxul de miuoni şi, deci, cu atât e necesar un timp mai mare de expunere pentru a acumula suficienţi miuoni pentru a revela o imagine. Astfel, timpul necesar poate fi de ordinul săptămânilor, lunilor sau anilor.

Principiul radiografiei miuonice. Pe măsură ce trec prin vulcan, miuonii orizontali sunt absorbiţi de către rocile străbătute. Cu cât mai densă este roca, cu atât sunt absorbiţi mai mulţi miuonii. Fluxul invers de miuoni este folosit pentru normalizare prin compensare.
Pentru imagine mulţumim Nicola Graf

Radiografia miuonică este folosită astăzi pentru vulcani din toată lumea: în Antilele de Jos, la Puy de Dôme în centrul Franţei, precum şi în provocatoarea noastră cercetare asupra Vezuviului cu proiectul Mu-Ray. Imaginile sunt produse folosind detectori numiţi telescopi miuonici, care utilizează o tehnologie dezvoltată în fizica particulelor şi care joacă rolul filmului de raze X din radiografia convenţională. Aceste telescoape detectează acei miuoni aproape orizontali ieşind din edificiul vulcanului, imediat ce l-au traversat. Prin reconstruirea căilor fiecărui miuon, aparatura revelează cantitatea de miuoni absorbită în fiecare direcţie. Rocile mai dense absorb mai mulţi miuoni, astfel că harta fluxurilor de miuoni oferă o imagine negativă a densităţilor de roci din interiorul vulcanului. Imaginile nu ne pot ajuta să prezicem când va avea loc următoarea erupţie, însă – combinate cu alte observaţii – ne ajută să prevedem cum anume s-ar putea întâmpla aceasta.

Imaginea Vezuviului

Prototipul de telescop
miuonic din proiectul Mu-Ray
de la Vezuviu.

Pentru imagine mulţumim
Paolo Strolin

Deci, ce are deosebit Vezuviul? Acest vulcan este o provocare specială, nu doar pentru că reprezintă cel mai mare risc vulcanic în Europa, ci şi pentru că muntele are o structură neobişnuită. Vezuviul este de fapt situat înlăuntrul rămăşiţelor unui vulcan mai mare, Muntele Somma. Mai mult, în interiorul vârfului Vezuviu se află un crater cu lăţimea de 500 m şi cu adâncimea de 300 m: aceasta înseamnă că – pentru a privi sub baza craterului – miuonii trebuie să penetreze adânc în munte, prin aproape doi kilometrii de rocă, pentru a ajunge la detectorul situat de cealaltă parte a vulcanului. Doar miuonii de foarte înaltă energie deplasându-se în direcţie cvasi-orizontală sunt capabili să treacă prin toată această rocă; însă fluxul lor la detector este foarte slab, ceea ce face imageria foarte dificilă. Aşa se explică de ce proiectul – şi dezvoltarea radiografiei miuonice – este extrem de provocatoare.

Interiorul Vezuviului, în
viziunea lui Athanasius
Kircher (1602-1680), din
lucrarea sa Mundus
Subterraneous

Imagine din domeniul publi;
sursa imaginii: Wikimedia
Commons

Astfel că pentru a privi înăuntrul Vezuviului trebuie să construim un nou tip de telescop miuonic. Pentru a detecta dintr-un flux slab suficiente particule ca să producă o imagine, aparatura trebuie să acopere o zona mult mai largă decât telescoapele precedente. Sunt necesare perfecţionări substanţiale şi pentru a distinge particulele importante de cele de fundal – ceea ce intenţionăm să facem prin determinarea timpului de zbor al fiecărui miuon prin telescop, pentru a-i putea considera doar pe cei care travesează vulcanul prin direcţia favorabilă imaginii.

Din primăvara lui 2013 deja se înregistrează date cu un telescop prototip având o zonă-detector de doar 1 m2 – în comparaţie cu cei 10 m2 care vor fi acoperiţi în final prin grupul de telescoape. Iar între timp datele sunt analizate. Detectorul constă dintr-o mulţime de fâşii de plastic cu rol de scintilator – o tehnologie împrumutată din fizica particulelor. Aceste benzi pot fi aranjate astfel încât să acopere zone largi şi să asigure timpi de expunere lungi, fiind tototadă suficient de robuste pentru a rezista în condiţii vulcanice. Important s-a dovedit şi consumul scăzut de energie al telescopului, ceea ce îi permite să fie alimentat printr-un panou solar, iar portabilitatea îl face amplasabil rapid în locaţii diverse. Depinzând de finanţare şi de experienţa câştigată cu acest prototip, noi sperăm ca în faza următoare să construim două grupuri de telescoape, fiecare cu o zonă de detecţie de 4 m2, spre a înregistra date pentru an sau mai mult.

Noi frontiere

Fotografia Vulcanului
Cleveland, Insulele Aleutiene,
luată din Staţia Spaţială
Internaţională pe 23 mai
2006. Vulcanul a emis atunci
un evantai de cenuşă, dar nu
a erupt.

Pentru imagine mulţumim
NASA

Între timp, cercetătorii din fizica particulelor şi vulcanologii continuă să colaboreze în radiografia miuonică. Pe lângă faptul că se dezvoltă astfel o unealtă puternică pentru studierea structurilor geologice, acest domeniul în expansiune are potenţial pentru aplicări industriale, precum vizualizarea interioarelor de reactoare nucleare, sau determinarea grosimii pereţilor de furnale de oţelărie pentru evaluarea necesităţii de înlocuire.

Pe lângă aceste posibilităţi, se află în dezvoltare şi o tehnologie imagistică care promite aplicări pe scară şi mai largă: radiografia neutrinică. Datorită puterii lor extraordinare de penetrare, neutrinii produşi de razele cosmice şi trecând prin centrul Pământului ar putea într-un viitor să ne furnizeze informaţii despre densitatea miezului planetei.

Recunoaşteri

Proiectul Mu-Ray este finanţat prin Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Institutul Naţional Italian de Fizică Nucelară) şi prin Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (Institutul Naţional Italian de Geofizică şi Vulcanologie), cu contribuţii de la Ministerul Italian al Educaţiei şi Cercetării (MIUR-PRIN), Fermilab (SUA) şi IN2P3-Orsay (Franţa), şi cu suport de la Provincia di Napoli (provincia Neapole) şi de la Istituto Fondazione Banco di Napoli (Fundaţia Bancară din Neapole).

Autorul îşi exprimă recunoştinţa pentru contribuţiile aduse în acest domeniu de cercetare de către HKM Tanaka şi A Taketa (ERI-Tokyo); K Niwa şi T Nakano (Nagoya); D Gibert şi J Marteau (colaborare DIAPHANE); C Carloganu (colaborare TOMUVOL); F Ambrosino, G Castellini, R D’Alessandro, G Iacobucci, M Martini, M Orazi şi G Saracino (colaborare Mu-Ray).

Download

Download this article as a PDF

Web References

Resources

Author(s)

Paolo Strolin este profesor emerit la Universitatea “Federico II” din Neapole, Italia. Principalul său domeniu ştiinţific este fizica particulelor, iar în particular fizica neutronilor. Interesul său în problemele educaţiei l-a făcut să se implice în proiectul “Scienza e Scuola” (ştiinţă şi şcoală), proiect ce leagă profesori, elevi şi cercetători profesionişti pentru a încuraja interesul tinerilor în cunoaşterea ştiinţificăw1.




License

CC-BY-NC-ND