IMAGEN MUONICA por el Prof. Dr. D. Alberto Requena Rodríguez, académico numerario

Los muones son partículas elementales que no pertenecen directamente a los átomos. Tiene una carga igual a la del electrón, pero una masa unas 200 veces superior y su vida media, 2.2 microsegundos, es mayor que la de otras partículas inestables. Se producen de forma natural al interaccionar los rayos cósmicos con las capas altas de nuestra atmósfera terrestre y de forma artificial en las instalaciones de experimentaciones de los aceleradores de partículas, tipo CERN, los Álamos, etc.

 

La Tierra está bombardeada por radiación cósmica constantemente. Permanentemente se están produciendo muones. La energía de éstos es tan elevada que pueden atravesar cualquier material que se interponga, aunque, lógicamente, irá perdiendo velocidad conforme vaya penetrando en los materiales. Si disponemos un detector de aquéllos, podemos construir una radiografía muónica. Si disponemos varios detectores a distintas profundidades, podremos construir una imagen en tres dimensiones o tomografía del material atravesado. Huecos, materiales densos, zonas sólidas u objetos de diferentes densidades pueden ser identificados haciendo uso de un montaje como el descrito.

 

A finales de los 60 del siglo pasado Álvarez fue galardonado con el Premio Nobel por su contribución a la Física de partículas. Empleó un montaje similar a los actuales de radiografía, de forma que registraba el rastro de los muones. El tiempo de detección era de días e incluso semanas y la resolución muy baja. Posteriormente las emulsiones de bromuro de plata incrementaron la resolución espacial de las radiografías de muones. Hoy, la lectura de la detección se realiza con microscopios electrónicos automatizados. Ya en aquellos momentos Álvarez y col. abordaron la aplicación de la técnica para examinar las pirámides de Egipto, pero la guerra de los seis días declarada el 10 de junio de 1967 hizo abortar el proyecto.

 

Hoy se emplean detectores de centelleo sobre placas de plástico y resistencias que permiten un procesado on line. Las energías de los muones que llegan a la Tierra se sitúan entre 1 y 1000 Giga eV. Interaccionan con la materia, bien mediante interacción electromagnética que implica la producción de electrones tras la ionización a su paso a través del medio y mediante dispersiones colombianas múltiples cambiando de dirección tras la colisión con los núcleos. Si se consideran materiales como agua, hormigón, hierro, plomo y uranio, cuya densidad, tanto volumétrica como superficial es creciente en un orden de magnitud, aproximadamente, del primero al último de la lista, la energía que se deja el muón al atravesar un espesor de 10 centímetros de material, por término medio, es de unos 2.2 mega electrón voltio. Por el contrario, el alcance, entendido como el espesor que es capaz de atravesar hasta detenerse, pasa a ser de 2 órdenes de magnitud decreciente al pasar del primero al último de la lista. Por ejemplo, un muón de 30 GeV atraviesa un espesor de agua de más de 130 metros, mientras que, si se trata de plomo, solamente atraviesa 12 metros. En todo caso los muones que llegan a la Tierra son capaces de atravesar montañas y, ¡ cómo no!, las mismísimas pirámides de Giza.

 

Se estima que a nivel del mar el flujo de muones es de unos 10.000 por metro cuadrado y minuto, aunque no es uniforme y varía según el ángulo de detección. Todo ello implica que las mediciones empleen mucho tiempo. Los detectores responden con mayor precisión cuanto mayor es la energía de los muones que, a su vez, son los más penetrantes. Se ha empleado la tomografía de muones en volcanes activos para hacer una radiografía, mediante la que se puede detectar la presencia de lava debajo del cráter, dado que, justamente es la densidad lo que se modifica en el proceso de una erupción. Con información de este tipo se puede simular la posible erupción e identificar las zonas más peligrosas. En la central de Fukushima se empleó para analizar las fisuras del blindaje del reactor y detectar el sellado estructural.

Básicamente, la detección responde a las variaciones de densidad encontradas en el recorrido de los muones a través del material. Las aduanas y controles portuarios, aeroportuarios, zonas militares, etc, son susceptibles de utilizar la técnica. En cierta medida es una modernización de la técnica de radiografía con protones que iniciara el Laboratorio Nacional de Los Álamos en la década de los noventa. Se adoptó la radiografía de muones cuando se pretendió aplicar a objetos muy grandes, desde grandes contenedores hasta montañas o volcanes. Todavía cabe una extensión significativa cuando pretendamos que la radiografía sea de un planeta, ya que entonces los neutrinos serán los que nos permitirán llevar a cabo las radiografías, dado que son capaces de atravesarlos y podrán informarnos de los cambios de densidad para estudiar sus aspectos geofísicos.

No obstante, de tener décadas de tradición la detección de muones hoy vuelve a tener interés, habida cuenta la difusión que han logrado los dispositivos que emplean elevadas dosis de radiación ionizante que derivan de campos magnéticos fuertes para la producción de imágenes. Los muones podemos usarlos, como hemos señalado anteriormente, para medir la absorción en capas de pequeño espesor o mediante la técnica de dispersión (scattering) múltiple. Sin embargo, hoy se propone un uso adicional de los muones creados de forma secundaria, que no se ha empleado en los métodos de imagen hasta ahora y que le convierten en una poderosa técnica analítica no destructiva. La nueva técnica analítica consiste en imágenes producidas por el itinerario de los muones incidentes y la detección de la radiación de los muones inducidos de forma secundaria, la mayoría procedente de la radiación generada a partir de los electrones. Por vez primera se han podido visualizar con precisión objetos pequeños con bajo número atómico. Esto amplía la lista de elementos y el rango de las dimensiones que pueden ser representados mediante imágenes.