RAGGI COSMICI E LUCE CHERENKOV

Non solo piramidi: con i muoni, la tac ai vulcani

Una tecnica analoga a quella utilizzata dal progetto ScanPyramids per scoprire la camera segreta nella piramide di Cheope è stata sviluppata dal team di Osvaldo Catalano dell’Inaf di Palermo. Potrebbe essere impiegata per “radiografare” l’Etna

Rappresentazione 3D della piramide e della camera nascosta (puntini bianchi). Crediti: ScanPyramids

È di inizio novembre la scoperta di una camera segreta all’interno della piramide di Cheope a Giza, in Egitto. L’annuncio ha suscitato molto clamore, soprattutto a causa dell’originalissima tecnica con cui un team di scienziati franco-giapponesi ha rilevato una grande cavità, ribattezzata il “Grande Vuoto”, lunga oltre trenta metri, al di sopra della Grande Galleria. La scoperta è stata pubblicata su Nature da un team di archeologi guidati da Mehdi Tayoubi dell’Hip Institute di Parigi e Kunihiro Morishima dell’Università di Nagoya in Giappone, coordinatori del progetto ScanPyramids.

La tecnica utilizzata, già impiegata in scoperte di questo tipo, è la muografia: una tecnica che permette di ricostruire la traiettoria di particelle subatomiche, chiamate muoni, prodotte dall’interazione dei raggi cosmici provenienti dallo spazio con l’atmosfera terrestre quando attraversano mezzi con densità differente. Maggiore è la differenza di densità tra i due mezzi attraversati dalla particella, maggiore è il contrasto con cui si riesce a ricostruire l’immagine.

Della radiografia muonica avevamo già scritto nel 2015 a seguito della pubblicazione dell’articolo “Volcanoes muon imaging using Cherenkov telescopes”, apparso sulla rivista Nuclear Instruments And Methods In Physics Research Section A a firma di un gruppo di ricercatori dell’INAF guidati da Osvaldo Catalano, direttore dell’Istituto di astrofisica spaziale e fisica cosmica dell’Inaf di Palermo e co-principal investigator del progetto Astri, che abbiamo raggiunto per approfondire questa tecnica di imaging.

«I muoni sono particelle molto energetiche», spiega Catalano, «prodotte dall’interazione dei raggi cosmici con gli atomi dell’atmosfera terrestre. Dopo il neutrino, il muone è la particella più “penetrante”, cioè con perdite di energia molto contenute nell’attraversare la materia. I muoni non sono fonte di informazione nell’astronomia gamma ma costituiscono rumore di fondo. Sono invece molto utili per “radiografare” cavità all’interno di solidi».

«Non sono affatto sorpreso del risultato ottenuto dai ricercatori del progetto internazionale ScanPyramids con la muografia. Da tempo credo che questo metodo non solo consenta di sondare l’interno di piramidi», continua Catalano, «ma anche l’interno di grandi strutture tettoniche e geologiche, tra cui i vulcani. L’Inaf, con le tecnologie messe a punto – nell’ambito del progetto internazionale  Cherenkov Telescope Array (Cta) – con Astri, potrebbe sicuramente contribuire a tali risultati con una tecnica innovativa, che permette di avere un maggior dettaglio sulla geometria del target con una presa dati in tempo di osservazione inferiore di circa un ordine di grandezza».

SST-2M, il prototipo dei telescopi di piccola taglia (installato presso la stazione osservativa di Serra La Nave dell’Inaf di Catania, sull’Etna) che comporrà parte della estesa rete di rivelatori del Cherenkov Telescope Array

«Nel 2014, a seguito di un articolo su Nature di Hiroyuki K. M. Tanaka et al., che lavorava già da decenni sullo sviluppo delle tecniche di imaging muonica, nacque l’idea di fare la radiografia al vulcano Etna con un telescopio del progetto Astri», ricorda Catalano. «Con il mio gruppo iniziammo a fare simulazioni e il metodo – differente da quello giapponese – si rivelò subito molto promettente. Lo stesso Nanni Bignami ci incoraggiò a proseguire».

Rispetto alla tecnica giapponese utilizzata anche per rivelare la camera segreta dentro la piramide di Cheope, il team guidato da Catalano ha proposto una tecnica diversa, sfruttando la luce Cherenkov: fotoni emessi in fase dalle molecole di materia, stimolate da particelle cariche – il muone, appunto – che vi si propagano con velocità superiore a quella della luce nel mezzo stesso.

Una volta che il muone attraversa il target di osservazione, inizia a emettere luce Cherenkov “materializzandosi”, e permettendo l’individuazione della sua traiettoria con un’ottima precisione. Questa luce – emessa nelle lunghezze d’onda dell’ultravioletto e del visibile – viene osservata con particolari telescopi, detti appunto telescopi Cherenkov, largamente utilizzati nell’astronomia dei raggi gamma, che studiano l’universo alle altissime energie.

Poiché i muoni interagiscono molto poco con la materia, possono attraversare gran parte delle rocce, perdendo una frazione di energia proporzionalmente allo spessore delle rocce attraversate. La distribuzione della densità dell’interno di un vulcano può essere così determinata misurando l’attenuazione differenziale del flusso muonico in funzione della quantità di rocce attraversate lungo direzioni diverse.

«Questa tecnica è di grande utilità, perché è possibile identificare la provenienza della particella con risoluzione molto elevata senza contaminazione», sottolinea Catalano. «Per avere un’idea, utilizzando il telescopio Astri da 5 km di distanza possiamo ottenere una risoluzione di 16 metri. Rispetto agli esperimenti effettuati con la muografia tradizionale, questa tecnica non presenta contaminazione dei dati, riuscendo così a ottenere delle soglie di rilevazione più basse e contrasti maggiori nelle immagini».

Una possibile configurazione mobile, con una camera semplificata, per la tomografia muonica dell’Etna. Fonte: O. Catalano et al., 2016

«La muografia imaging bi-dimensionale nel caso di un rivelatore, e tomografia assiale con più rivelatori, offre grandi potenzialità. È capace di effettuare, per esempio, calcoli idro-geologici per calcolare portata di un fluido (che ora si calcola in maniera indiretta), indagare siti archeologici in modo non invasivo, monitorare le centrali nucleari e le attività dei vulcani. In particolare, se la velocità del magma non è elevata (processo di accumulo non esplosivo), potremmo essere in grado di monitorare il livello della colonna di magma. È possibile inoltre studiare la presenza di sacche d’acqua all’interno di colline o terrapieni, giacimenti di minerali pesanti, fare monitoraggio non invasivo di strutture civili, di sistemi di contenimento di materiali radioattivi e di stoccaggio. E certamente fare la radiografia della struttura interna delle piramidi».

La tecnica brevettata da Inaf e dal gruppo di Catalano presenta un altro vantaggio rispetto a quella giapponese: il detector costruito ad hoc può essere sufficientemente maneggevole da proporre stazioni osservative semi-permanenti, costruibile a basso costo e con un ingombro non superiore ai 200 kg. Si tenga conto che il dispositivo giapponese con cui per la prima volta era stata effettuata la muografia al vulcano pesava circa 22 tonnellate ed era stato calato dall’alto con due elicotteri.

Per saperne di più:

Guarda il video di Nature sulla missione ScanPyramids: