From Tunnel Overburden Reconstruction to Tidal Measurements via atmospheric muon
Os projetos HAWL e HAWLU demonstram as capacidades da muografia dinâmica ao mapear com sucesso o terreno montanhoso com um detector portátil montado em veículo e medir variações de nível de água de maré em um túnel submarino com precisão de escala de metros usando um sistema compacto e atualizado.
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Profundamente abaixo da superfície da Terra, uma chuva constante de partículas invisíveis cai do céu. São múons de raios cósmicos, fragmentos subatômicos nascidos quando partículas de alta energia vindas do espaço colidem com nossa atmosfera. Diferente da maioria da matéria, os múons são viajantes incrivelmente resistentes; eles podem atravessar centenas de metros de rocha e água antes de parar. Essa habilidade única os torna sondas naturais para observar o interior de coisas que, de outra forma, seriam impossíveis de ver. Por décadas, cientistas têm usado múons para espiar o coração de vulcões e pirâmides antigas, mapeando sua densidade interna ao contar quantos múons conseguem atravessar. Se uma estrutura é densa, menos múons passam; se é oca ou menos densa, mais chegam. Embora essa técnica tenha sido usada há muito tempo para estudar objetos estáticos, um novo estudo da Coreia do Sul demonstra como usar essas partículas para observar o mundo mudar em tempo real, rastreando tanto o movimento de um veículo através de uma montanha quanto o movimento rítmico de subida e descida do oceano.
Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Chung-Ang, liderada por Jiwon Seo, desenvolveu um sistema portátil chamado HAWL para testar essas ideias de duas maneiras muito diferentes. Primeiro, eles queriam ver se conseguiam mapear o solo acima de uma estrada enquanto dirigiam por túneis. Eles construíram um detector usando cintiladores plásticos, que são blocos de material que brilham com luz quando um múon passa por eles, e os conectaram a sensores sensíveis. Eles montaram este dispositivo no porta-malas de um carro e dirigiram pela Rodovia Seul–Yangyang, passando por quarenta e sete túneis. Enquanto o carro se movia, o detector contava os múons chegando de cima. Quando o carro estava dentro de um túnel, os múons tinham que viajar através da rocha da montanha acima deles para alcançar o sensor. Ao analisar a taxa com que os múons chegavam, a equipe pôde calcular a espessura da montanha acima deles. Eles descobriram que seu sistema poderia medir comprimentos de túneis com uma precisão de 6,0 por cento e determinar o peso da rocha acima, variando de 8 a 400 metros de equivalente em água. Isso significa que um único detector movendo-se em velocidades de rodovia poderia efetivamente mapear a forma de uma cadeia de montanhas em tempo real.
A segunda parte do estudo ocorreu em um cenário diferente: o Túnel Submarino de Boryeong, uma passagem de 6,9 quilômetros que corre sob o mar. Aqui, os pesquisadores não moveram o detector. Em vez disso, deixaram-no fixo no lugar por trinta e um dias para observar como as marés do oceano afetavam a contagem de múons. A ideia era simples, mas profunda: conforme a maré sobe, a camada de água do mar acima do túnel fica mais espessa, bloqueando mais múons. Conforme a maré desce, a camada de água diminui, e mais múons passam. A equipe observou exatamente esse padrão. Ao longo de sua medição, registraram uma queda rítmica clara no número de múons sempre que o nível da água subia. Eles calcularam que, para cada metro que a maré subia, a contagem de múons caía 1,72 por cento. Essa mudança pequena, mas consistente, provou que seu detector era sensível o suficiente para pesar o próprio oceano a partir das profundezas do subsolo.
Para garantir que esses resultados fossem reais e não apenas uma variação do clima, os cientistas verificaram outros fatores que poderiam influenciar a contagem. Eles analisaram a temperatura e a pressão atmosférica, que são conhecidas por alterar o número de múons que atingem o solo. No entanto, não encontraram nenhuma conexão significativa entre essas mudanças climáticas e seus dados. Eles também usaram uma técnica matemática para analisar o tempo das flutuações, o que revelou o ciclo distinto de 12,4 horas das marés, confirmando que o sinal vinha do oceano e não de ruído aleatório. Para validar ainda mais suas descobertas, eles passaram com o detector pelo mesmo túnel submarino dez vezes, comparando os escaneamentos móveis com um modelo computacional da engenharia do túnel. Os dados dos escaneamentos móveis coincidiram perfeitamente com o modelo, provando que o detector era estável e preciso.
Este trabalho mostra que a detecção de múons está evoluindo de uma ferramenta de mapeamento estático para um sistema de monitoramento dinâmico. Os pesquisadores demonstraram que um dispositivo portátil pode escanear vastas áreas de terreno enquanto está em movimento, e que um dispositivo fixo pode rastrear mudanças naturais lentas no ambiente com precisão de escala de metros. Essas capacidades abrem as portas para novas formas de observar nosso planeta. A mesma tecnologia que mediu as marés e as montanhas poderia potencialmente ser usada para monitorar outros perigos variáveis, como o inchaço de um vulcão antes de uma erupção, o deslocamento do solo ao redor de um sumidouro ou a rápida ascensão da água durante um tsunami. Ao transformar partículas invisíveis em uma transmissão ao vivo do interior da Terra, esta pesquisa oferece uma nova maneira de compreender o mundo dinâmico sob nossos pés.
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