I muoni dipingono immagini di mondi interiori nascosti, come per esempio all’interno della Grande Piramide di Giza in Egitto si trova una cavità misteriosa, il suo vuoto non è visto da nessun essere umano vivente, la sua superficie non è stata toccata dalle mani moderne. Ma fortunatamente, gli scienziati non sono più limitati dai sensi umani.
Per percepire i contorni dell’interno inesplorato della piramide, gli scienziati hanno seguito i percorsi delle minuscole particelle subatomiche chiamate muoni appunto. Quelle particelle, nate in alto nell’atmosfera terrestre, sono sfrecciate verso la superficie e si sono scavate attraverso la piramide. Alcune delle particelle hanno impresso accenni di ciò che hanno incontrato su rivelatori sensibili dentro e intorno alla piramide.
I percorsi delle particelle hanno rivelato la sorprendente presenza della camera nascosta, annunciata nel 2017. Quella straordinaria scoperta ha acceso i piani tra i fisici per utilizzare i muoni per esplorare altre strutture archeologiche. E alcuni ricercatori stanno usando la tecnica, chiamata muografia, per mappare le tubature dei vulcani.
“Puoi davvero vedere all’interno di un vulcano”, afferma il geofisico Giovanni Leone dell’Universidad de Atacama a Copiapó, in Cile. Quella visione interna potrebbe fornire agli scienziati maggiori informazioni su come e quando è probabile che un vulcano erutti. Sono prodotti quando particelle ad alta energia provenienti dallo spazio, note come raggi cosmici, si schiantano nell’atmosfera terrestre.
I muoni piovono continuamente attraverso l’atmosfera a varie angolazioni. Quando raggiungono la superficie terrestre, le particelle solleticano l’interno di grandi strutture come le piramidi. Penetrano anche nelle cose più piccole: il tuo pollice viene perforato da un muone circa una volta al minuto. Misurare quante particelle vengono assorbite mentre attraversano una struttura può rivelare la densità di un oggetto ed esporre eventuali lacune nascoste all’interno.
La tecnica ricorda l’acquisizione di un’enorme immagine a raggi X, afferma Mariaelena D’Errico, fisica delle particelle presso l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare di Napoli, in Italia, che studia il Vesuvio con i muoni. Ma “invece dei raggi X, usiamo… una fonte naturale di particelle”, la fornitura infinita di muoni della Terra.
I fisici hanno tipicamente studiato i raggi cosmici per comprendere meglio l’universo da cui provengono. Ma la muografia capovolge questa tradizione, usando queste particelle cosmiche per saperne di più su parti del nostro mondo precedentemente sconosciute. Per la maggior parte, dice il fisico delle particelle Hiroyuki Tanaka dell’Università di Tokyo, “le particelle provenienti dall’universo non sono state applicate normalmente alle nostre vite”. Tanaka e altri stanno cercando di cambiarlo.
Muoni: cosa sono?
Goffi cugini degli elettroni, i muoni possono sembrare un’inutile stranezza della fisica. Quando l’identità della particella è stata rivelata per la prima volta, i fisici si sono chiesti perché la strana particella esistesse. Mentre gli elettroni svolgono un ruolo cruciale negli atomi, i muoni più pesanti non hanno tale scopo.
Ma i muoni si rivelano ideali per creare immagini degli interni di oggetti di grandi dimensioni. La massa di un muone è circa 207 volte più grande di quella di un elettrone. Quel volume extra significa che i muoni possono attraversare centinaia di metri di roccia o più. La differenza tra un elettrone e un muone che passa attraverso la materia è come la differenza tra un proiettile e una palla di cannone, afferma la fisica delle particelle Cristina Cârloganu.
Un muro può fermare un proiettile, mentre una palla di cannone lo attraversa. I muoni sono abbondanti, quindi non è necessario creare fasci di radiazioni artificiali, come richiesto, ad esempio, per acquisire immagini a raggi X di ossa rotte nello studio del medico. I muoni “sono gratuiti”, afferma Cârloganu, del CNRS e dell’Istituto nazionale di fisica nucleare e delle particelle di Aubière, in Francia.
Un altro aspetto cruciale dei muoni: “Sono anche molto facili da rilevare”, afferma il fisico nucleare Richard Kouzes del Pacific Northwest National Laboratory di Richland, nello Stato di Washington. Un semplice rivelatore fatto di strisce di plastica e sensori di luce farà si che il trucco funzioni. Altri rivelatori di muoni richiedono poco più di una versione specializzata della pellicola fotografica. Non c’è nessun’altra particella simile, dice Kouzes.
I muoni hanno una carica elettrica negativa, come un elettrone. Le loro antiparticelle, gli antimuoni, che piovono anche sulla Terra, hanno una carica positiva. I rivelatori di muoni catturano tracce sia di varietà caricate negativamente che positivamente. Quando queste particelle passano attraverso il materiale, perdono energia in vari modi, ad esempio, scontrandosi con gli elettroni e staccandoli dai loro atomi.
Con quella perdita di energia, i muoni rallentano, a volte abbastanza da fermarsi. Più denso è il materiale, meno muoni riusciranno a raggiungere un rivelatore posizionato sotto o a lato del materiale. Oggetti così grandi e densi come vulcani o piramidi proiettano un’ombra di muoni. E tutti gli spazi vuoti all’interno di quelle strutture appariranno come punti luminosi all’interno di quell’ombra, perché più muoni ci possono scivolare attraverso. L’interpretazione di tali ombre screziate può aprire una vista su mondi nascosti.
Sondaggio delle piramidi
La muografia si è rivelata utile per sondare all’interno di una piramide. Uno dei primi usi della tecnica risale agli anni ’60, quando il fisico Luis Alvarez e colleghi cercarono camere nascoste nella piramide di Chefren a Giza, un vicino leggermente più piccolo della Grande Piramide. I rilevatori non hanno trovato indizi di stanze inaspettate, ma hanno dimostrato che la tecnica funzionava.
Tuttavia, l’idea ha richiesto tempo per decollare, perché i rivelatori di muoni dell’epoca tendevano ad essere ingombranti e funzionavano meglio in condizioni di laboratorio ben controllate. Per individuare i muoni, il team di Alvarez ha utilizzato rivelatori chiamati camere a scintilla. Le camere delle scintille sono riempite con gas e piastre metalliche ad alta tensione, in modo che le particelle cariche che passano creino scintille.
Ora, grazie ai progressi nelle tecnologie della fisica delle particelle, le camere a scintilla sono state ampiamente sostituite. “Possiamo realizzare rivelatori molto compatti e molto robusti”, afferma il fisico nucleare Edmundo Garcia-Solis della Chicago State University. Questi rilevatori possono essere progettati per funzionare al di fuori di un laboratorio attentamente controllato.
Un tipo di rivelatore resiliente è costruito con plastica contenente una sostanza chimica chiamata scintillatore, che rilascia luce quando passa un muone o un’altra particella carica. La luce viene quindi catturata e misurata dall’elettronica. Entro la fine dell’anno, i fisici utilizzeranno questi rivelatori per dare un’altra occhiata alla piramide di Chefren, Kouzes e colleghi hanno riferito il 23 febbraio sul Journal for Advanced Instrumentation in Science.
Abbastanza compatto da poter essere contenuto in due grandi custodie per il trasporto, il rivelatore “può essere trasportato nella piramide e quindi utilizzato con un laptop e questo è tutto”, afferma Kouzes. Un tipo di rivelatore diverso ma particolarmente a bassa manutenzione, chiamato pellicola di emulsione nucleare, è stato fondamentale per scoprire il vuoto nascosto della Grande Piramide nel 2017. Le emulsioni nucleari registrano le tracce di particelle in un tipo speciale di pellicola fotografica. I rivelatori vengono lasciati in posizione per un periodo di tempo, quindi riportati in un laboratorio per l’analisi delle tracce in essi impresse.
Il fisico delle particelle Kunihiro Morishima dell’Università di Nagoya in Giappone ha aiutato a scoprire la camera segreta attraverso il lavoro su un progetto internazionale chiamato ScanPyramids. “Le emulsioni nucleari sono leggere, compatte e non richiedono alimentazione”, spiega. Ciò significava che più rivelatori potevano essere collocati in punti di osservazione privilegiati in una delle stanze della piramide, la Camera della Regina, e una piccola nicchia accanto ad essa.
Le misurazioni dei rivelatori sono state integrate con rivelatori a scintillatore plastico all’interno della Camera della Regina e rivelatori a base di gas all’esterno della piramide. Dalla scoperta del vuoto, Morishima e colleghi hanno effettuato misurazioni aggiuntive per delineare meglio le sue proprietà.
Il team ha posizionato rilevatori di emulsione in 20 punti della piramide, nonché rilevatori di gas in diversi punti. Utilizzando la loro nuova gamma di strumenti, i ricercatori hanno determinato che il vuoto è lungo più di 40 metri. Il suo scopo è ancora sconosciuto.
Un’altra squadra di ricercatori sta pianificando un’indagine più ampia della Grande Piramide, posizionando rivelatori molto più grandi all’esterno della piramide. I rivelatori verranno periodicamente spostati per misurare i muoni da più angolazioni, ha riferito il team il 6 marzo sul Journal for Advanced Instrumentation in Science. Il risultato, afferma il coautore e fisico delle particelle Alan Bross del Fermilab a Batavia, Illinois, offrirà una vista 3-D di ciò che c’è dentro.
Anche le piramidi in altre parti del mondo stanno ottenendo un esame più attento. Garcia-Solis e colleghi stanno ora pianificando la muografia della piramide Maya conosciuta come El Castillo a Chichén Itzá in Messico. Anche Morishima e colleghi stanno pianificando il lavoro sulle piramidi Maya.
Gli scienziati sperano che tali studi possano rivelare nuove camere o caratteristiche non visibili con altre tecniche per scrutare all’interno degli oggetti. Ad esempio, gli ultrasuoni, i radar che penetrano nel terreno o i raggi X possono penetrare solo a breve distanza dalla superficie, spiega Bross. I muoni, invece, danno un quadro approfondito. Per lo studio delle piramidi, dice Bross, “i muoni sono davvero l’ideale”.
Sbirciando all’interno di un vulcano
Il Vesuvio è una minaccia nota a Napoli e nei comuni circostanti che si rannicchiano contro i fianchi del vulcano. Famigerato per aver distrutto l’antica città di Pompei nel 79 d.C., il vulcano è inattivo dal 1944, quando una grande eruzione distrusse diversi villaggi vicini. Ma se scoppiasse, metterebbe in pericolo la vita di circa 600.000 persone che vivono nelle vicinanze e di molte altre nelle vicinanze.
“Il Vesuvio mi ha sempre spaventato”, dice D’Errico. “Sono nato e vivo sotto questo vulcano”. Ora, come parte dell’esperimento Muon Radiography of Vesuvius, o MURAVES, cerca di comprendere meglio il vulcano e i suoi pericoli. Utilizzando rivelatori di muoni a 1,5 chilometri dal cratere del vulcano, il team sta mappando le densità dei muoni, e quindi le densità delle rocce, a la sommità del cono del Vesuvio.
In un articolo pubblicato il 24 febbraio su arXiv.org, i ricercatori hanno presentato suggerimenti preliminari sulle differenze di densità tra la metà nord-occidentale e quella sud-orientale del vulcano. MURAVES sta ancora raccogliendo dati; le osservazioni future dovrebbero aiutare gli scienziati a comprendere i dettagli più fini della struttura interna del vulcano, che si pensa sia stratificata a causa delle ripetute eruzioni.
Le informazioni sulla struttura di un vulcano possono aiutare gli scienziati a prevedere quali rischi aspettarsi in un’eventuale eruzione, ad esempio dove potrebbero verificarsi frane. E questo potrebbe aiutare gli scienziati a sapere quali passi intraprendere per ridurre i rischi per le persone che vivono nelle vicinanze, afferma Cârloganu, che ha studiato con la muografia il vulcano dormiente Puy de Dôme vicino a Clermont-Ferrand, in Francia, e sta ora lavorando per immaginare l’isola di Vulcano, giustamente chiamata in Italia.
Quando il Monte St. Helens a Washington eruttò nel 1980, ad esempio, un intero fianco del vulcano crollò. Il disastro ha ucciso 57 persone e ha causato danni diffusi. Sapere dove si trovano le debolezze strutturali di un vulcano potrebbe aiutare gli scienziati a prevedere meglio come potrebbe svolgersi un’eruzione e quali aree si trovano all’interno della zona pericolosa, afferma Cârloganu.
Cârloganu pensa che i muoni saranno utili per evidenziare le debolezze strutturali, ma non per avvisare quando il vulcano esploderà. Altri ricercatori sono più ottimisti sulla capacità dei muoni di fornire preavvisi tempestivi.
La muografia è matura per essere inclusa nei sistemi di allerta precoce dei vulcani, hanno scritto Leone, Tanaka e colleghi lo scorso novembre in Proceedings of the Royal Society A. Ma è necessario fare più lavoro per integrare la muografia con altri metodi consolidati che aiutino ad avvertire di un’imminente eruzione, dice Leone. Questi metodi includono misurazioni sismiche, nonché osservazioni della deformazione del suolo e delle emissioni di gas vulcanici.
Tanaka e colleghi stanno studiando Sakurajima, uno dei vulcani più attivi al mondo, vicino a Kagoshima, in Giappone. Uno dei crateri del vulcano, il cratere Showa, ha eruttato frequentemente fino al 2017, quando l’attività si è spostata bruscamente su un altro cratere, Minamidake. Il confronto dei dati muografici presi prima e dopo questo spostamento ha rivelato che una nuova e densa regione si era formata sotto il cratere Showa, Tanaka e colleghi hanno riferito nel 2019 in Geophysical Research Letters.
Ciò suggerisce il motivo per cui le eruzioni di Showa si sono fermate: era intasato da un denso tappo di magma solidificato, dice Tanaka. Questi risultati suggeriscono che gli scienziati possono usare la muografia per aiutare a prevedere le eruzioni vulcaniche, dice Tanaka.
Infatti, utilizzando tecniche di deep learning sui dati muografici di Sakurajima, Tanaka e colleghi hanno riportato in Scientific Reports nel 2020 di essere stati in grado di prevedere se il vulcano sarebbe eruttato il giorno successivo, analizzando i dati della settimana precedente. La tecnica ha previsto correttamente i giorni di eruzione del vulcano più del 72% delle volte e ha previsto correttamente i giorni di non eruzione più dell’85% delle volte.
Proprio come la scoperta dei raggi X ha svelato un modo completamente nuovo di vedere il mondo, sfruttare i muoni potrebbe cambiare la nostra prospettiva su ciò che ci circonda. Gli atteggiamenti nei confronti di una particella una volta ritenuta non necessaria, indesiderata e non amata dai fisici, sono stati trasformati. Un giorno, forse, i muoni potrebbero salvare moltissime vite.