In questa illustrazione, una serie di cinque rivelatori di muoni da pozzo sono dispiegati in un pozzo orizzontale al di sotto di un serbatoio di anidride carbonica. Credito:Pacific Northwest National Laboratory
Invisibile ad occhio nudo, i muoni sono particelle elementari create dalle collisioni dei raggi cosmici con le molecole nell'alta atmosfera. Questi muoni si irradiano costantemente sulla superficie terrestre a vari angoli. Poiché i muoni passano attraverso i materiali, gli scienziati fin dagli anni '60 si sono rivolti a loro per "vedere" l'interno delle strutture, come le piramidi di Giza.
Ora i muoni, un tempo utilizzato per esplorare l'interno di piramidi e vulcani allo stesso modo, stanno consentendo ai ricercatori di vedere le profondità del sottosuolo con una svolta tecnologica del PNNL.
Posizionando apparecchiature di rilevamento, delle dimensioni di una piccola automobile, accanto a una struttura, come una piramide, i ricercatori possono misurare le anomalie nel flusso di muoni che lo attraversano. Le anomalie, in particolare i cambiamenti nel numero di muoni che colpiscono i rivelatori ogni secondo, mostrano un cambiamento nella densità all'interno della struttura o dell'oggetto. Nel caso di una piramide, anomalie indicavano la presenza di cripte o camere nascoste.
A causa delle loro grandi dimensioni, gli attuali rivelatori di muoni possono visualizzare il sottosuolo solo se sono collocati in miniere o tunnel sotterranei. Per essere efficacemente utilizzato per creare immagini 3D di pennacchi sotterranei di anidride carbonica o giacimenti di petrolio, ed eventualmente essere in grado di monitorare i cambiamenti nel tempo, i rivelatori di muoni hanno bisogno di un modo per andare più in profondità e "vedere" di più. Ma come si ottiene un rilevatore delle dimensioni di una piccola automobile a migliaia di piedi sottoterra?
I ricercatori del PNNL e i loro partner hanno creato un rilevatore di muoni delle dimensioni di un pozzo trivellato, di soli cinque pollici di diametro e lungo circa due piedi, che può essere inserito in profondità nella terra. Questo dispositivo unico nel suo genere, finanziato dal DOE Office of Fossil Energy (collegamento esterno) come parte del Crosscut Subsurface Technology and Engineering Research (SubTER), è un progresso rivoluzionario per l'imaging a densità sotterranea.
Prototipo del rivelatore di muoni delle dimensioni di un pozzo trivellato. Credito:Pacific Northwest National Laboratory
Come nessuna sorpresa, la costruzione di un tale rivelatore e i metodi informatici per tradurre le anomalie dei muoni in immagini di densità hanno richiesto alcune partecipazioni attive da parte dei partner:
I grandi rivelatori esistenti ospitano più piani scintillatori, strati di un materiale che producono lampi di luce quando vengono colpiti da un muone. Il primo prototipo di rivelatore di muoni da pozzo consiste in 30 barre scintillanti lunghe orizzontali in due strati e 60 barre perpendicolari corte in due strati, fibre ottiche, sensori di luce, e l'elettronica per rilevare ogni muone che passa attraverso il dispositivo. Sono state eseguite diverse simulazioni al computer delle traiettorie dei muoni per selezionare la geometria ottimale dei diversi strati. Il rivelatore conta i muoni ma determina anche le loro traiettorie necessarie per costruire un'immagine di densità 3D.
Il prototipo completato è stato distribuito nello Shallow Underground Laboratory della PNNL per un primo test di successo nel maggio 2016. È stato quindi inviato alla LANL all'inizio di giugno per essere testato in un tunnel dove raccoglierà dati per due mesi. Il team di ricerca confronterà questi dati con quelli di due rivelatori più grandi sviluppati da LANL e SNL distribuiti nello stesso tunnel.
I progetti per il secondo prototipo sono a buon punto. Sulla base delle lezioni apprese sul primo prototipo, ricercatori del PNNL, in stretta collaborazione con l'Università delle Hawaii, stanno progettando uno strumento aggiornato con maggiore sensibilità e controlli per l'orientamento in pozzi verticali e orizzontali.
