Cu ajutorul muonilor cosmici un grup de cercetători a reușit să obțină pentru prima dată o imagine tridimensională, aplicată asupra unui reactor nuclear. Acest rezultat este important – întrucât arată cum progresele tehnologice dar și de analize da date ne pot ajuta să obținem imagini, prin tehnici nedistructive, ale unor obiecte/structuri foarte mari – precum un reactor nuclear.

Muonii

Muonii sunt particule elementare care fac parte din cadrul Modelului Standard al fizicii particulelor elementare. Sunt un fel de electroni (făcând parte din același grup de particule denumit al leptonilor), însă au o masă de circa 200 de ori mai mare ca a electronilor. Au o viață medie de circa 2 microsecunde – timp după care se dezintegrează într-un electron, un antineutrin electronic și un neutrin de tip muonic. Evident, dacă muonii au viteze foarte mari, aproape de viteza luminii, timpul de viață relativistic este mai mare (și se calculează cu formulele relativității speciale).

Muonii sunt particule extrem de interesante de studiat – atât în sine cât și în sisteme mai complexe. De exemplu atomii muonici – atomi în care în locul electronilor în orbită în jurul nucleului se găsește un muon – sunt studiați pentru a înțelege atât proprietățile nucleelor (muonii având masă mai mare se apropie mai mult de nucleu) cât și cele ale muonilor. Tocmai atomii muonici acum câțiva ani au generat așa-numitul puzzle al razei protonilor, întrucât prin studiul acestora se obținea o rază a protonilor mai mică decât cea care era obținută prin alte metode.

Muonii nu sunt utilizați doar în cercetarea fundamentală ci pot fi utilizați pentru a genera imagini ale unor obiecte mai mari sau mai mici – un fel de tomografie însă cu muoni cosmici.

Muonii cosmici

Razele cosmice care ajung  pe Pământ, adică particule cu energii mai mari sau mai mici generate în procese cosmice și care călătorind prin Univers ajung inclusiv la noi, sunt compuse în mare parte din protoni. Protonii interacționează cu moleculele aerului generând procese în urma cărora iau naștere și muoni. Muonii aceștia se numesc muoni cosmici. Muonii ajung până la noi, circa un muon pe centimetru pătrat pe secundă, însă interacționează relativ slab cu materia pe care o întâlnesc, reușind să străbată mari cantități de materie în drumul lor. Acest fapt îi face să fie deosebit de interesanți atunci când vrem să construim imagini ale obiectelor mari – obiecte sau structuri pe care nu le putem analiza cu razele X întrucât acestea ar fi complet absorbite.

Tomografia cu muoni

Folosirea muonilor cosmici pentru a genera imagini ale obiectelor nu este nouă. Au fost în felul acesta studiate piramidele faraonilor sau vulcanii. Detectoare de muoni măsoară cum aceștia străbat diverse structuri și din măsurătorile acestora reconstruiesc imaginea obiectului. Până recent însă imaginile erau bidimensionale.

Imagini tridimensionale cu muonii

Recent, într-un articol publicat în Science Advances, un grup de cercetători demonstrează cum se pot construi direct imagini tridimensionale cu muonii. Au demonstrat această posibilitate reconstruind imaginile unui reactor nuclear din Franța: cel din Marcoule – unul dintre primele reactoare construite în anii ’50 și care la ora actuală nu mai este în funcțiune.

Pentru a obține imagini tridimensionale ale structurii interne ale reactorului cercetătorii au pus la punct atât noi metode experimentale, care prevăd folosirea unui număr mult mai mare de detectoare, cât și a unui nou software – programe de analize de date care se inspiră din scannerele tri-dimensionale medicale. După câteva zile de măsurători au reușit să obțină imagini detaliate – identificând de exemplu conductele de răcire ale reactorului.

Acest rezultat este important, întrucât demonstrează cum noi tehnologii și noi metode de analize de date pot duce la obținerea de imagini tridimensionale ale unor structuri foarte mari – precum reactoarele nucleare (dar nu numai) – unde de exemplu nu avem acces (vulcani) sau unde accesul este dificil. În plus, această metodă este o metodă nedistructivă – deci imaginile se obțin fără a afecta structura obiectului studiat.

Credit imagine: Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.abq8431

Rubrică realizată de Cătălina Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi Luminiţa Costea, profesoară de Fizică la Colegiul Naţional „Mihai Viteazul”, Sfântu Gheorghe