Laser genera particelle per vedere gli oggetti attraverso muri di 2 metri: lo studio sui muoni

Un gruppo dell'ELI-NP (Extreme Light Infrastructure Nuclear Physics), un centro di ricerca situato  in Romania che studia le frontiere della fisica nucleare attraverso l'utilizzo di laser a intensità estrema,  ha prodotto un raggio laser (considerato uno dei più potenti al mondo) per creare una fascio di particelle e lo ha fatto passare attraverso un muro di cemento di 2 metri. Il rilevatore posto dopo il muro di cemento ha rilevato l’immagine di un’ombra prodotta da un bersaglio posto dopo il muro, costituito da un blocco di piombo.

Il team ha dimostrato così che tramite un laser molto potente è possibile produrre delle particelle che vedono attraverso oggetti dall’elevato spessore. Le particelle in questione sono i muoni, particelle elementari simili agli elettroni ma circa 200 volte più pesanti. Per attraversare metri di cemento, roccia o persino metalli, i muoni sono considerati le particelle ideali. Il team ha dimostrato di poter ottenere un'immagine fatta di muoni partendo soltanto da una sorgente a laser, senza usare uno dei grandi acceleratori di particelle circolari tradizionali (come da esempio il Large Hadron Collider (LHC) a Ginevra).

Questa tecnica muografica (ovvero la possibilità di fare una radiografia usando però i muoni) ha enormi vantaggi rispetto a tecniche con cui vengono usati altre sorgenti a particelle. Ad esempio la radiazione come i raggi X (usate nelle comuni radiografie mediche) vengono assorbiti da spessori grandi e densi mentre i muoni perdono energia gradualmente e possono attraversare grandi strutture o materiali densi come piombo e acciaio.

La muografia fatta con i muoni provenienti dai raggi cosmici (flussi di particelle subatomiche ad altissima energia che provengono dallo spazio profondo e bombardano continuamente la Terra) è già stata usata per esplorare l’interno di piramidi e vulcani, ma il problema è che di queste particelle naturali dallo spazio ne arriva circa uno al minuto per centimetro quadrato, e la generazione di  immagini dettagliate in questo modo risulta lentissimo e bassa risoluzione.

Un fascio artificiale di muoni invece renderebbe questa tecnica praticabile in ambiti impossibili da ottenere con sorgenti naturali o tradizionali di muoni.  Per esempio in ambito di controlli doganali o sicurezza militare, per effettuare dei controlli in maniera veloce all’interno di container nei porti navali o in strutture con pareti composte da materiali pesanti che possono contenere materiale radioattivo. Lo scopo del team di ricerca era infatti cercare di produrre proprio un fascio di muoni su richiesta per rendere l'imaging più rapido e controllabile.

Immagini di questo tipo erano già state fatte negli acceleratori di particelle, ma il fattore determinante che hanno raggiunto i ricercatori dell'ELI-NP è stato di ottenere un'immagine composta interamente da muoni e che il fascio di particelle fosse veloce da generare e potenzialmente trasportabile.

Le innumerevoli applicazioni della tecnica muografica

I muoni vengono generalmente prodotti all’interno degli acceleratori di particelle, ma queste strutture sono impianti enormi e d'altra parte non vengono usati per scopi di applicazioni commerciali. Se si vuole quindi effettuare una muografia bisogna portare quindi l’oggetto (come per esempio un container o una grande struttura di cemento) dove si trova l’acceleratore. Un sistema portatile e trasportabile permetterebbe invece ispezioni muografiche in loco di infrastrutture critiche o nei luoghi dove è richiesto l’intervento.

La muografia con i raggi cosmici ha già dato risultati notevoli in passato. Per esempio ha rivelato un grande vuoto all’interno della piramide di Cheope, lungo più di 30 metri, poi un corridoio di circa 9 metri sulla faccia nord, ambienti in cui era impossibile accedere fisicamente. Un altro caso è stato quello della centrale nucleare di Fukushima dopo l’incidente del 2011, dove sono stati usati due rivelatori di muoni. I rilevatori non hanno trovato traccia del combustibile all’interno del nucleo del reattore, portando a concludere che si fosse fuso e si fosse depositato sul fondo della struttura. Questa informazione è stata ottenuta senza che degli operatori dovessero entrare in un luogo inaccessibile e altamente radioattivo come l’interno di un reattore nucleare .

Ma produrre muoni artificialmente permetterebbe di estendere l'ambito applicativo a un numero di casi molto più diversificato, come per esempio le ispezioni di materiali nascosti in contenitori schermati (per nascondere per esempio del materiale radioattivo per uso militare) o in container navali.  Nei porti e alle frontiere infatti solo una piccola percentuale dei container viene ispezionata a fondo, e un fascio su richiesta accelererebbe la scansione e potrebbe essere effettuata in pochi minuti,  ad esempio per ispezionare contenitori schermati senza aprirli. Una sorgente artificiale di muoni offrirebbe inoltre la possibilità di controllare la direzione attraverso cui osservare, producendo una immagine 3D del target, e avrebbe una frequenza di osservazione e risoluzione molto maggiore rispetto ad una sorgente naturale come quella dei raggi cosmici.

L’esperimento che permette di vedere oltre i muri

Per creare muoni serve moltissima energia concentrata in un tempo brevissimo. Infatti i ricercatori dell'ELI-NP hanno usato un laser da 10 petawatt, indicato come il più potente al mondo. Il petawatt (abbreviato PW) corrisponde ad un milione di miliardi di watt. Ma questa potenza è così alta perché l’energia del laser è erogata appunto in un tempo brevissimo, circa 23 femtosecondi, ovvero pari ad un milionesimo di miliardesimo di secondo.

Per fare un paragone, l’energia emessa dal laser dell’ELI-NP corrisponderebbe all’energia emessa da una lampadina di 60 watt accesa per circa quattro secondi. La potenza, però, è enorme perché tutta quell'energia è compressa in un tempo brevissimo, dell’ordine appunto del femtosecondo. Quindi per un istante il laser fornisce più di 1000 volte la potenza delle reti elettriche di tutto il mondo messe insieme (sempre per paragone, la capacità elettrica mondiale media è di circa 10 terawatt, ovvero mille miliardi di watt).

Per produrre muoni i ricercatori hanno usato questo laser per colpire un gas che libera elettroni e li accelera a energie altissime. Gli elettroni si scontrano con un bersaglio di piombo ed emettono fotoni, i quali, urtando altri nuclei di piombo, producono infine i muoni.

Il fascio contiene però anche molte altre particelle che devono essere schermate. Per selezionare solo la sorgente voluta (ovvero il fascio di muoni) e schermare altre particelle che avrebbero compromesso e sporcato le loro immagini muoniche, il team di ricerca ha usato, dopo mesi di simulazioni ed esperimenti, un grande cubo di plastica e paraffina.

Nell’esperimento infine il fascio filtrato attraversa un muro di cemento dello spessore 2 metri e arriva ai rivelatori trasportati dentro un furgone parcheggiato dall'altra parte. Tra il muro e il furgone c'era una pila di blocchi di piombo, di cui è stata ottenuta l'ombra. Non è un'ombra vera e propria, perché dietro il piombo arrivano meno muoni, e dunque i rivelatori registrano meno segnale in quella zona. Però la diminuzione è stata tale da garantire che l’immagine che si era formata era coerente con la dimensione e forma del target usato.

L’obiettivo di questo esperimento era dimostrare che la muografia artificiale potrebbe diventare fattibile e veloce. L’obiettivo però è ancora lontano, perché il laser di ELI-NP è ancora un impianto gigantesco e molto difficile da trasportare, che spara al massimo una volta al minuto. Quindi il successo di questa tecnica dipenderà dallo sviluppo di laser più compatti e con frequenza di ripetizione più alta.

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