Un sinfín de rayos cósmicos viaja por el universo a velocidades cercanas a la de la luz. También conocidos como “radiación cósmica”, estos rayos compuestos de billones de partículas subatómicas bañan nuestro planeta segundo a segundo. Tras chocar con la atmósfera, algunos de ellos se desvían hacia el espacio, al ser reflejados por el campo magnético de la Tierra. No obstante, una fracción logra penetrar la atmósfera y, con ello, se desencadena una serie de reacciones que generan una lluvia de partículas subatómicas, entre ellas los “muones”. La radiación cósmica a la que estamos expuestos en la Tierra no es peligrosa y procede del Sol o de explosiones de estrellas gigantes antiguas, denominadas “supernovas”, que se encuentran muy lejos de nuestra galaxia.
Imagenología muónica: el uso de rayos cósmicos para analizar pirámides y volcanes
Los muones son fascinantes, porque algunas de sus propiedades no siguen exactamente las predicciones de la principal teoría de la física de partículas, el modelo estándar. Pese a esta peculiaridad, los muones nos permiten analizar objetos de gran tamaño que no podrían estudiarse en un laboratorio, como las edificaciones antiguas, los volcanes e incluso los reactores nucleares.
Los muones son fascinantes, porque algunas de sus propiedades no siguen exactamente las predicciones de la principal teoría de la física de partículas, el modelo estándar. Pese a esta peculiaridad, los muones nos permiten analizar objetos de gran tamaño que no podrían estudiarse en un laboratorio, como las edificaciones antiguas, los volcanes e incluso los reactores nucleares.
“No podemos verlos a simple vista, pero los muones se encuentran en todos los lugares de la Tierra, atravesando constantemente los objetos y los seres humanos desde todas las direcciones y a velocidades cercanas a la de la luz —explica Ian Swainson, físico nuclear del OIEA—. Si bien son totalmente inocuos para los seres humanos, pueden penetrar cientos de metros de roca y ser un medio versátil para entender la composición y dimensión de materiales que de otra manera no podríamos percibir”.
“En cierto modo, la imagenología muónica se asemeja a las radiografías de rayos gamma o rayos X, que se emplean en medicina para obtener imágenes del cuerpo humano o en la industria para evaluar la integridad y la seguridad de las estructuras y sus componentes —añade Andrea Giammanco, físico de partículas que ha colaborado en una publicación del OIEA sobre la imagenología muónica—. La diferencia radica en que esos tipos de radiografías emplean intensas fuentes de radiación artificiales generadas por aceleradores de partículas o por fuentes radiactivas y la imagenología muónica, en cambio, utiliza rayos cósmicos que proceden de manera natural del espacio exterior”.
Los rayos cósmicos colisionan con la atmósfera de la Tierra, lo que genera una lluvia de partículas, entre ellas los muones. (Infografía: A. Vlasov/OIEA)
Tipos de imagenología muónica
Existen dos grandes categorías de imagenología muónica: la muografía (o radiografía muónica) y la tomografía muónica.
La muografía consiste en ubicar un detector debajo de una estructura, o en su costado, para detectar los muones que logran atravesarla. En la imagen resultante, algunos materiales brillarán más que otros y algunos se verán relativamente oscuros. Esta técnica se fundamenta en la capacidad de absorción de muones de los diferentes materiales, que está relacionada con su densidad.
En la tomografía muónica de dispersión se estudia la distribución de los muones en la estructura, utilizando para ello varios detectores. Por ejemplo, con dos detectores ubicados en costados opuestos de un automóvil o un carguero, los expertos pueden analizar la desviación de los muones que chocan con materiales de alta densidad que tienen un número elevado de protones y extraer así conclusiones sobre el contenido del automóvil o el carguero sin necesidad de realizar otros tipos de inspección física.
Tras los primeros experimentos de los años cincuenta, la imagenología muónica se ha empleado en una amplia gama de objetos en todo el mundo. Además de la pirámide del Sol en Teotihuacán, los muones han servido para analizar la estructura interna del Vesubio (Italia), cuya erupción destruyó la ciudad romana de Pompeya y otros asentamientos en el año 79 d. C. Los investigadores estudian los procesos internos del volcán para mejorar sus modelos de predicción de erupciones futuras y sugerir medidas destinadas a proteger la población local. Este volcán se encuentra inactivo desde su última erupción, en 1944.
Entre otros proyectos de investigación con imagenología muónica cabe mencionar el estudio de un ciclón en el Japón, algunos glaciares de los Alpes y, recientemente, un reactor nuclear en Francia que está en proceso de clausura.
Por otro lado, el OIEA tiene previsto organizar en 2024 el taller Tomografía Muónica: de los Principios Básicos a los Usos y Aplicaciones Prácticos. Los participantes abordarán las diferentes aplicaciones de la técnica, las propiedades de los detectores, los algoritmos de reconstrucción de las trayectorias de los muones, el análisis de datos y la reconstrucción de imágenes.
Además, el Organismo ha publicado recientemente un libro sobre el tema, Muon Imaging: Present Status and Emerging Applications, en el que se describen en detalle las principales técnicas de imagenología muónica y los diferentes tipos de detectores. También abarca una gran variedad de aplicaciones: del análisis de construcciones modernas y antiguas, volcanes y estructuras industriales, a la mejora de la seguridad y las salvaguardias nucleares. “La publicación, que describe exhaustivamente el ámbito de la imagenología muónica, es de utilidad para lectores, tanto de la industria como del mundo académico, que deseen profundizar sus conocimientos sobre este campo en pleno desarrollo”, señala el Sr. Swainson.
Imagenología muónica de una pirámide mediante dos detectores (Infografía: A. Vlasov/OIEA)
What are muons?
Our universe is filled with countless cosmic rays that sweep through space at nearly the speed of light. They are emitted by the sun or come from supernova explosions in distant galaxies. Every second, the Earth is bombarded by these rays, consisting of trillions of sub-atomic particles. When cosmic rays collide with our atmosphere, some of them are deflected by the planet’s magnetic field, while others reach us here on Earth – without causing any harm. As the rays pass through the atmosphere, they undergo a series of reactions, creating a shower of new sub-atomic particles. Among these are muons.
Muons are puzzling, because some of their properties deviate, subtly but significantly, from the predictions of the leading theory of particle physics, known as the standard model. Yet scientists have found a way to use the mysterious particles, which resembles conventional radiography, to look deep inside large objects where physical access is not possible, such as ancient buildings, volcanoes or even nuclear reactors.
“Even though we can’t see them, muons are everywhere on Earth: they continuously pass through us and objects around us at almost the speed of light from all angles,” said Ian Swainson, a Nuclear Physicist at the IAEA. “They are completely harmless to people but can penetrate hundreds of metres of rock to provide a versatile means for understanding the composition and dimensions of materials which would otherwise be invisible to us.”
“Muon imaging works in some sense like X-ray or gamma ray radiography, which is used in medicine to scan the body and in industry to assess the integrity and safety of structures and components,” added Andrea Giammanco, Particle Physicist and one of the authors of the new publication. “But while those types of radiography rely on intense artificial sources of radiation produced by particle accelerators or radioactive sources, muon radiography is based on cosmic rays that come naturally from outer space.”
There are two general types of muon imaging: muography and muon scattering tomography (MST).
Muography involves placing a detector underneath or on the side of a structure to capture the muons passing through it. The denser the material, the more muons will be absorbed. Some of the particles that manage to traverse the structure will be caught by the detector on the opposite side. In the resulting image, empty spaces through which muons pass easily will be marked as bright spots, while materials with higher densities will be darker.
Whereas muography relies on the absorption of muons by materials, muon scattering tomography (MST) is based on how muons are scattered. For example, using two detectors positioned on two opposite sides of a car or a shipping container, experts can track how the particles are deflected from high-density materials with a high number of protons, making it possible to look inside the vehicle or the container without the need for physical inspection.
Cosmic rays crash into the Earth's atmosphere, creating a stream of new particles, among them muons. (Graphic: A. Vlasov/IAEA)
The IAEA’s new publication describes in detail the main techniques of muon imaging and the different types of detectors involved. It also covers a wide range of applications: from examining modern and ancient buildings, volcanoes and industrial structures to enhancing nuclear security and safeguards. “Representing a comprehensive overview in the field of muon imaging, this publication is useful to readers in industry and academia to get a deeper understanding of this developing field,” Swainson said.
Since the first experiments carried out in the 1950s, muon imaging has been applied to a large variety of objects across the world. Muography is currently being used to evaluate the internal structure of the Vesuvius volcano near Naples, Italy, which tragically destroyed the ancient Roman city of Pompeii and several other settlements in 79 AD. Researchers are working to visualise the inner processes of Vesuvius with muon detectors in an attempt to improve their modelling, which is paramount for predicting any potential eruption and its course, as well as develop steps to reduce risks to the local population. The volcano has been inactive since its last eruption in 1944.
Similarly, muon imaging has been applied to scan the ancient city wall of Xi’an in China, a cyclone passing over Japan, glaciers in the Alps and recently a nuclear reactor in France that is undergoing decommissioning.
The IAEA plans to hold a workshop, titled ‘Muon Tomography: From Basic Principles to Practical Usage and Applications’ next year. The participants will discuss the various modes of applying the technique for practical applications, the properties of the detectors used, the algorithmic reconstruction of muon tracks, as well as data analysis and picture reconstruction.
The publication Muon Imaging can be found here.
Muography. (Graphic: A. Vlasov/IAEA)