From Tunnel Overburden Reconstruction to Tidal Measurements via atmospheric muon
I progetti HAWL e HAWLU dimostrano le capacità della muografia dinamica mappando con successo terreni montuosi con un rilevatore portatile montato su veicolo e misurando le variazioni del livello dell'acqua mareale in un tunnel sottomarino con precisione su scala metrica utilizzando un sistema compatto e aggiornato.
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Profondamente sotto la superficie della Terra, una pioggia costante di particelle invisibili cade dal cielo. Si tratta di muoni dai raggi cosmici, frammenti subatomici nati quando particelle ad alta energia provenienti dallo spazio collidono con la nostra atmosfera. A differenza della maggior parte della materia, i muoni sono viaggiatori incredibilmente resistenti; possono perforare centinaia di metri di roccia e acqua prima di fermarsi. Questa capacità unica li rende sonde naturali per guardare dentro cose che altrimenti sarebbero impossibili da vedere. Per decenni, gli scienziati hanno usato i muoni per scrutare il cuore di vulcani e antiche piramidi, mappandone la densità interna contando quanti muoni riescono ad attraversarli. Se una struttura è densa, meno muoni passano; se è cava o meno densa, ne arrivano di più. Mentre questa tecnica è stata a lungo utilizzata per studiare oggetti statici, un nuovo studio proveniente dalla Corea del Sud dimostra come utilizzare queste particelle per osservare il mondo che cambia in tempo reale, tracciando sia il movimento di un veicolo attraverso una montagna sia l'innalzamento e l'abbassamento ritmico dell'oceano.
Un team di ricercatori della Chung-Ang University, guidato da Jiwon Seo, ha sviluppato un sistema portatile chiamato HAWL per testare queste idee in due modi molto diversi. In primo luogo, volevano vedere se fossero in grado di mappare il terreno sopra una strada mentre percorrevano dei tunnel. Hanno costruito un rilevatore utilizzando scintillatori plastici, che sono blocchi di materiale che emettono lampi di luce quando un muone vi passa attraverso, e li hanno collegati a sensori sensibili. Hanno montato questo dispositivo nel bagagliaio di un'auto e hanno guidato lungo l'autostrada Seoul–Yangyang, passando attraverso quarantassette tunnel. Mentre l'auto si muoveva, il rilevatore contava i muoni che arrivavano dall'alto. Quando l'auto si trovava all'interno di un tunnel, i muoni dovevano attraversare la roccia della montagna sovrastante per raggiungere il sensore. Analizzando la velocità con cui arrivavano i muoni, il team è stato in grado di calcolare lo spessore della montagna sopra di loro. Hanno scoperto che il loro sistema poteva misurare la lunghezza dei tunnel con una precisiono del 6,0 percento e determinare il peso della roccia sovrastante, compreso tra 8 e 400 metri di equivalente acqua. Ciò significa che un singolo rilevatore in movimento a velocità autostradale può effettivamente mappare la forma di una catena montuosa in tempo reale.
La seconda parte dello studio si è svolta in un contesto diverso: il Tunnel Sottomarino di Boryeong, un passaggio di 6,9 chilometri che corre sotto il mare. Qui, i ricercatori non hanno spostato il rilevatore. Al contrario, lo hanno lasciato fisso in posizione per trentuno giorni per osservare come le maree oceaniche influenzassero il conteggio dei muoni. L'idea era semplice ma profonda: man mano che la marea sale, lo strato di acqua marina sopra il tunnel si ispessisce, bloccando più muoni. Quando la marea scende, lo strato d'acqua si assottiglia e arrivano più muoni. Il team ha osservato esattamente questo schema. Nel corso delle loro misurazioni, hanno registrato un netto e ritmico calo nel numero di muoni ogni volta che il livello dell'acqua saliva. Hanno calcolato che per ogni metro di innalzamento della marea, il conteggio dei muoni diminuiva dell'1,72 percento. Questo cambiamento piccolo ma costante ha dimostrato che il loro rilevatore era abbastanza sensibile da pesare l'oceano stesso dalle profondità sottomarine.
Per garantire che questi risultati fossero reali e non solo una variazione del meteo, gli scienziati hanno controllato altri fattori che potrebbero influenzare il conteggio. Hanno esaminato la temperatura e la pressione atmosferica, che sono note per cambiare il numero di muoni che raggiungono il suolo. Tuttavia, non hanno trovato alcuna connessione significativa tra questi cambiamenti meteorologici e i loro dati. Hanno anche utilizzato una tecnica matematica per analizzare la tempistica delle fluttuazioni, che ha rivelato il distinto ciclo di 12,4 ore delle maree, confermando che il segnale proveniva dall'oceano e non da rumore casuale. Per validare ulteriormente le loro scoperte, hanno guidato il rilevatore attraverso lo stesso tunnel sottomarino dieci volte, confrontando le scansioni in movimento con un modello informatico dell'ingegneria del tunnel. I dati delle scansioni in movimento corrispondevano perfettamente al modello, provando che il rilevatore era stabile e accurato.
Questo lavoro dimostra che la rilevazione dei muoni si sta evolvendo da uno strumento di mappatura statica a un sistema di monitoraggio dinamico. I ricercatori hanno dimostrato che un dispositivo portatile può scansionare vaste aree di terreno mentre è in movimento, e che un dispositivo fisso può tracciare i lenti cambiamenti naturali dell'ambiente con una precisione su scala metrica. Queste capacità aprono la porta a nuovi modi per osservare il nostro pianeta. La stessa tecnologia che ha misurato le maree e le montagne potrebbe potenzialmente essere utilizzata per monitorare altri pericoli in movimento, come il rigonfiamento di un vulcano prima di un'eruzione, lo spostamento del terreno attorno a un sinkhole o l'innalzamento rapido dell'acqua durante uno tsunami. Trasformando le particelle invisibili in un feed in diretta dell'interno della Terra, questa ricerca offre un nuovo modo per comprendere il mondo dinamico sotto i nostri piedi.
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