GRAZIE AI TELESCOPI CHERENKOV SST-2M

Radiografie ai vulcani? Meglio con i muoni

Un gruppo di ricercatori dell'INAF propone una nuova metodologia che permette di indagare la struttura interna dei vulcani sfruttando l'energia delle particelle prodotte dall'interazione dei raggi cosmici e l'elevata sensibilità di telescopi per raggi gamma di ultima generazione. In questo ambito è stato anche depositato dall’INAF un brevetto per invenzione industriale per uno strumento ad-hoc e relativo metodo per la radiografia/tomografia muonica di strutture massicce

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SST-2M, il prototipo dei telescopi di piccola taglia che comporrà parte della estesa rete di rivelatori del Cherenkov telescope Array, CTA. L’immagine è stata presa in occasione dell’inaugurazione dello strumento, il 24 settembre 2014, presso la stazione osservativa di Serra La Nave sull’Etna, gestita dall’Osservatorio Astrofisico di Catania dell’INAF

Chi l’avrebbe detto che per indagare la struttura interna di un vulcano si può utilizzare un telescopio destinato allo studio dei fenomeni più violenti che avvengono nel cosmo? A ideare questa nuova metodologia, pubblicata in un articolo sulla rivista Nuclear Instruments And Methods In Physics Research Section A, è stato un gruppo di ricercatori dell’INAF guidati da Osvaldo Catalano, direttore dell’Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica cosmica di Palermo.

L’idea si basa sulla tecnica della radiografia muonica conosciuta da diversi decenni. Questo metodo, che viene applicato anche per sondare l’interno di grandi strutture, dalle piramidi ai vulcani, sfrutta le proprietà dei muoni – particelle molto energetiche prodotte dall’interazione dei raggi cosmici con gli atomi dell’atmosfera terrestre – che hanno un’alta capacità di penetrare i materiali. In realtà, non tutti i muoni attraverseranno indenni queste strutture, bensì una parte di essi sarà assorbita dal materiale che le compone. Proprio su questa caratteristica si basa la tecnica della radiografia muonica: per ricostruire le immagini viene misurata la differenza di flusso di muoni uscente dalla struttura rispetto a quello entrante, ottenendo così anche una stima della densità del materiale che le compone. Fino ad ora le radiografie muoniche sono state effettuate con rivelatori di particelle che, per ottenere dei buoni risultati, devono schermare il fondo muonico isotropico diventando così molto ingombranti e pesanti.

Figura 1. rappresentazione schematica dell'individuazione di un muone generato dall'interazione dei raggi cosmici con gli atomi dell'atmosfera e captato da un telescopio Cherenkov SST-2M

Figura 1. Rappresentazione schematica dell’individuazione di un muone energetico con un telescopio Cherenkov SST-2M

Invece, il team di Catalano ha avuto l’idea di rivelare i muoni che attraversano il vulcano Etna mediante la luce Cherenkov che essi stessi emettono viaggiando nell’atmosfera a velocità prossime a quelle della luce (Fig. 1). Anche i muoni infatti, come ogni altra particella carica, emettono luce Cherenkov, lungo il loro percorso in atmosfera, nelle lunghezze d’onda dell’ultravioletto e del visibile. Questa luce viene osservata con particolari telescopi, detti appunto telescopi Cherenkov, largamente utilizzati nell’Astronomia dei raggi Gamma, che studiano l’universo alle altissime energie.

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Figura 2. La caratteristica traccia circolare sul rivelatore del telescopio SST lasciata dalla luce Cherenkov prodotta da un muone atmosferico

La luce Cherenkov prodotta dai muoni viene focalizzata tramite l’ottica (specchi) su un piano focale (rivelatori multi-pixel) dove forma una caratteristica immagine ad anello facilmente distinguibile dagli altri eventi (vedi figura 2, anello circolare sul detector). Un’analisi geometrica relativamente semplice dell’anello permette di ricostruire i parametri fisici del muone quali la sua energia e la direzione di arrivo. Per validare il metodo proposto, sono state fatte alcune simulazioni impostando le caratteristiche geometriche di una delle bocche dell’Etna e le performance del telescopio ASTRI SST-2M posizionato per queste simulazioni ad una distanza opportuna dal cratere Sud-Est del vulcano siciliano. ASTRI SST-2M, attualmente in via di collaudo sul Monte Etna, è il prototipo dei telescopi di piccola taglia che comporrà parte della estesa rete di rivelatori del Cherenkov Telescope Array (CTA) e potrà essere utilizzato per testare sul campo il metodo proposto.

Figura 3. La struttura interna di uno dei coni del vulcano Etna, come appare dalle simulazione condotte dai ricercatori dell'INAF

Figura 3. La struttura interna di uno dei coni del vulcano Etna, come appare dalle simulazioni condotte dai ricercatori dell’INAF

«I risultati delle simulazioni sono molto promettenti: nella radiografia del cratere sono chiaramente visibili il condotto per il quale abbiamo assunto un diametro di 70 m e le differenze di densità all’interno del cratere in funzione dell’altezza (vedi Fig. 3). Naturalmente, più telescopi Cherenkov posizionati intorno ad un vulcano permetterebbero di fare una tomografia dello stesso» dice Osvaldo Catalano. E sempre in questo ambito, ieri è stato depositato dall’INAF un brevetto per invenzione industriale per uno strumento ad-hoc e relativo metodo per la radiografia/tomografia muonica di strutture massicce. «Lo strumento, trasportabile ed energeticamente autosufficiente, è adattabile per eseguire prospezioni geologiche nel campo dell’ingegneria civile, archeologia e tettonica e dovunque sia necessario una ispezione radiografica e o tomografica non invasiva di strutture geologiche o ingegneristiche, anche di dimensioni considerevoli», conclude Catalano.

Per saperne di più:

  • l’articolo Volcanoes muon imaging using Cherenkov telescopes  di Osvaldo Catalano, Melania Del Santo, Teresa Mineo, Giancarlo Cusumano, Maria Concetta Maccarone, Giovanni Pareschi, pubblicato su Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A, Vol. 807C, Pag. 5-12