Muonii sunt particule elementare care sunt de exemplu generate de raze cosmice permanent în atmosfera Pământului. Razele cosmice lovesc moleculele din atmosfera superioară și produc cascade de particule în care se nasc și muoni. Ei sunt de aproximativ 200 de ori mai masivi decât electronii și pot traversa cantități impresionante de materie.

Această proprietate a făcut din muoni un instrument neobișnuit pentru a „vedea” în interiorul unor obiecte pe care razele X sau alte tehnici de imagistică nu le pot traversa cu ușurință.

Tehnica se numește muografie.

Dar există o problemă: muonii cosmici vin când vin. Nu îi putem porni, opri sau regla după dorință. Fluxul lor este relativ mic, iar pentru a obține o imagine de calitate poate fi nevoie de săptămâni sau chiar luni de măsurători.

Acum, o echipă de cercetători a făcut un pas important spre schimbarea acestei situații.

Folosind un laser de mare putere la Extreme Light Infrastructure–Nuclear Physics (ELI-NP) din România, cercetătorii au produs un fascicul artificial de muoni cu energii de ordinul GeV și au reușit să obțină imaginea unui obiect dens: o grămadă de cărămizi de plumb. Rezultatul este prezentat într-un nou articol pe arXiv.

Este, conform autorilor, prima demonstrație de imagistică dominată de un fascicul de muoni artificiali produși cu laser.

De ce sunt muonii atât de interesanți?

Muonul seamănă foarte mult cu electronul.

Are aceeași sarcină electrică și, în cadrul Modelului Standard, este o rudă mai grea a electronului.

Diferența esențială este masa.

Un muon este de aproximativ 207 ori mai masiv decât un electron. Din acest motiv, atunci când traversează materia, pierde energie într-un mod diferit și poate pătrunde mult mai adânc în materiale dense.

Un fascicul de muoni poate astfel traversa metri de rocă sau metal.

Iar cercetătorii pot folosi exact acest lucru pentru a afla ce se ascunde în interiorul unui obiect.

Dacă măsori câți muoni intră și câți ies, poți obține informații despre densitatea materialului traversat. Dacă măsori și cât de mult își schimbă direcția, poți obține informații suplimentare despre structura obiectului. Este, într-un anumit sens, ca și cum ai face o radiografie cu particule care pot traversa ceea ce pentru razele X este aproape un zid.

Muografia cosmică

Muografia nu este o idee nouă. Muonii cosmici au fost deja folosiți pentru a investiga vulcani, structuri geologice și obiecte arheologice.

Unul dintre cele mai spectaculoase exemple a fost descoperirea unei camere necunoscute în Marea Piramidă din Giza, folosind muoni cosmici.

Problema este viteza. Pe Pământ ajunge permanent un flux de muoni cosmici, dar acesta este relativ slab. În condiții obișnuite, prin fiecare centimetru pătrat trece aproximativ un muon pe secundă. Pentru a obține o imagine detaliată a unui obiect foarte dens, este astfel necesar să acumulezi date pentru mult timp.

Este puțin ca și cum ai încerca să fotografiezi o cameră întunecată folosind un aparat de fotografiat care primește câte un singur foton. Fotografia se poate face. Dar trebuie să ai multă răbdare.

De ce nu producem pur și simplu muoni?

Pentru că producerea artificială a muonilor nu este deloc simplă. Muonii nu sunt particule pe care să le putem pur și simplu extrage dintr-o sursă și accelera, așa cum facem cu electronii.

Este necesar mai întâi să producem particule suficient de energetice și apoi să le folosim pentru a genera muoni.

Există deja surse de muoni bazate pe acceleratoare convenționale, dar obținerea unor fascicule de muoni suficient de intense, bine direcționate și potrivite pentru imagistică rămâne o provocare.

Aici intră în scenă o tehnologie complet diferită: laserele de mare putere.

Un laser devine un accelerator

Experimentul a fost realizat la ELI-NP, marea infrastructură de cercetare de la Măgurele, în România.

Ideea este foarte elegantă. Laserul este focalizat într-un gaz și produce o undă de plasmă capabilă să accelereze electronii la energii foarte mari. Acest proces se numește accelerare laser-plasmă, sau laser-wakefield acceleration.

În loc să folosim un accelerator lung de sute de metri pentru a crește treptat energia electronilor, accelerarea are loc pe distanțe mult mai mici, datorită câmpului electric asociat undei de plasmă. Electronii accelerați ajung la energii de ordinul GeV.

Apoi urmează al doilea pas.

De la electroni la muoni

Fasciculul de electroni este direcționat către o țintă solidă. Când electronii de mare energie interacționează cu materialul, produc fotoni foarte energetici. Acești fotoni pot produce la rândul lor perechi formate dintr-un muon și un antimuon.

Procesul este cunoscut drept producere de perechi muon-antimuon prin mecanismul Bethe-Heitler.

Problema este că, împreună cu muonii, sunt produse foarte multe alte particule și forme de radiație. Pentru a face muografie nu este suficient, așadar, să produci muoni.

Trebuie să reușești să îi separi de zgomotul de fond.

Un zid pentru a separa muonii de zgomot

Aici experimentul devine deosebit de interesant. După producere, fasciculul este trecut printr-o configurație de ecranare formată din materiale precum plastic și parafină și apoi printr-un perete de beton cu grosimea de aproximativ doi metri. Majoritatea particulelor nedorite sunt absorbite sau atenuate.

Muonii, în schimb, datorită capacității lor de a traversa cantități mari de materie, reușesc să parcurgă traseul. La capătul drumului, cercetătorii au folosit detectoare portabile instalate într-un vehicul. Distanța dintre sursă și detectoare ajungea la aproximativ 42 de metri, iar în fața detectoarelor au pus ținta experimentului: o grămadă de cărămizi de plumb.

Și apoi a apărut o… umbră

Poate că partea cea mai frumoasă a experimentului este aceasta.: cercetătorii nu s-au limitat la demonstrarea prezenței muonilor. I-au folosit pentru a face o imagine.

Fasciculul artificial traversa grămada de cărămizi de plumb. În spatele cărămizilor, detectoarele măsurau câți muoni reușeau să ajungă. Acolo unde materialul era mai gros, ajungeau mai puține particule. Acolo unde era mai puțin plumb, ajungeau mai multe.

S-a format astfel un fel de umbră muonică a obiectului. Forma observată corespundea poziției și dimensiunilor cunoscute ale cărămizilor. Imaginea nu este încă o fotografie de înaltă rezoluție. Dar demonstrează că principiul funcționează.

Sunt cu adevărat muoni?

Atunci când produci un fascicul de particule într-un experiment atât de complex, nu este suficient să vezi o imagine. Trebuie să știi ce a produs acea imagine.

Cercetătorii au comparat, de aceea, datele experimentale cu simulări Monte Carlo detaliate.

Rezultatul indică faptul că aproximativ 90% dintre particulele detectate erau muoni, cu energii compatibile cu cele așteptate pentru sursa produsă de laser.

Simulările au arătat, de asemenea, că profilul observat al fasciculului și imaginea obiectului sunt compatibile cu muoni artificiali cu energii de ordinul câtorva GeV.

Această combinație între măsurători și simulări este importantă deoarece arată că nu este vorba despre un fascicul generic de particule penetrante ci despre utilizarea unei surse artificiale dominate de muoni.

De ce este important?

Pentru că o sursă artificială schimbă complet problema muografiei. Muonii cosmici sosesc permanent, dar nu putem decide când apar. Un fascicul produs de un laser poate, cel puțin în perspectivă, să fie controlat, sincronizat și produs atunci când este nevoie.

Această caracteristică ar putea permite realizarea unei muografii mult mai rapide. Ar putea face posibilă proiectarea fasciculului în funcție de obiectul pe care vrem să îl studiem.

Nu mai este doar: „Așteptăm să ajungă suficienți muoni cosmici.”

Ci: „Produ­cem un fascicul de muoni și îl trimitem exact acolo unde avem nevoie.”

Nu este încă o cameră de fotografiat pentru obiecte uriașe

Desigur, mai este mult până la o tehnologie gata de utilizare în mod obișnuit. Imaginea obținută în acest experiment are încă o rezoluție limitată.

Producerea muonilor trebuie să devină mai eficientă, fasciculul trebuie controlat mai bine, iar detectoarele trebuie dezvoltate în continuare.

Există și o problemă fundamentală: împreună cu muonii sunt produse multe alte tipuri de particule și radiații. Separarea semnalului util de fond este, prin urmare, una dintre principalele provocări. Dar tocmai acest lucru face rezultatul important.

Scopul primului experiment nu a fost construirea unei camere de fotografiat perfecte, ci să demonstreze că o sursă artificială de muoni produsă cu ajutorul unui laser poate fi utilizată pentru imagistica unui obiect dens.

Iar acest lucru a fost demonstrat.

Ce am putea vedea cu muoni artificiali?

Posibilele aplicații sunt foarte diverse.

Muonii pot traversa structuri prea groase pentru alte tehnici de imagistică și ar putea fi folosiți pentru controlul infrastructurilor, pentru studierea unor structuri metalice de mari dimensiuni sau pentru analiza unor materiale ascunse în interiorul containerelor.

Una dintre aplicațiile discutate pentru muografie este și inspectarea materialelor strategice sau a unor substanțe cu densitate mare, ascunse în spatele unor cantități importante de material de ecranare.

În perspectivă, o sursă compactă și controlabilă ar putea transforma muografia dintr-o tehnică bazată în principal pe muoni naturali într-o tehnologie bazată și pe fascicule produse artificial.

Dar vor mai fi necesare multe experimente.

De la muonii cosmici la muonii „la cerere”

Ceea ce este interesant la acest rezultat este că nu înlocuiește muografia cosmică ci o completează.

De zeci de ani folosim o sursă naturală pe care Universul ne-o oferă gratuit: razele cosmice. Acum începem să construim o sursă artificială care ar putea să ne permită să decidem când, unde și cu ce caracteristici să producem muoni. Este o schimbare conceptuală importantă.

Un laser creează o undă în plasmă. Unda accelerează electronii. Electronii produc fotoni. Fotonii produc muoni. Muonii traversează plumbul.Iar de cealaltă parte lasă o umbră.

Pentru prima dată, acea umbră nu vine din cer. A fost construită în laborator.

Iar în spatele acestei prime imagini, încă mică și imperfectă, se află posibilitatea unei noi forme de radiografie: să nu mai așteptăm muonii care vin din Univers, ci să învățăm să îi producem atunci când avem nevoie de ei.

Detalii: https://arxiv.org/abs/2609.28788

Credit imagine: Madalina Dobre et al

Articol scris de Cătălina Curceanu, director de cercetare în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi Luminiţa Costea, profesor la Colegiului Naţional “Mihai Viteazul”, Sfântu Gheorghe