Tomografía de muones

Veinte años después de que Carl David Anderson y Seth Neddermeyer descubrieran que los muones se generaban a partir de rayos cósmicos en 1936, ^{[ 13 ]} el físico australiano EP George realizó el primer intento conocido de medir la densidad superficial de la cubierta rocosa del túnel Guthega - Munyang (parte del Plan Hidroeléctrico de las Montañas Nevadas ) con muones de rayos cósmicos. ^{[ 14 ]} Utilizó un contador Geiger . Aunque logró medir la densidad superficial de la cubierta rocosa colocada sobre el detector, e incluso logró igualar el resultado de las muestras de núcleo , debido a la falta de sensibilidad direccional del contador Geiger, la obtención de imágenes fue imposible.

En un famoso experimento de la década de 1960, el físico estadounidense Luis Walter Álvarez utilizó imágenes de transmisión de muones para buscar cámaras ocultas en la Pirámide de Kefrén en Giza , aunque no se encontró ninguna en ese momento; ^{[ 15 ]} un esfuerzo posterior descubrió ^{[ 16 ]} un vacío previamente desconocido en la Gran Pirámide . En todos los casos, la información sobre la absorción de los muones se utilizó como medida del espesor del material atravesado por las partículas de rayos cósmicos.

El primer muograma fue producido en 1970 por un equipo liderado por Luis Walter Álvarez, ^{[ 17 ]} quien instaló un aparato de detección en la Cámara Belzoni de la Pirámide de Kefrén para buscar cámaras ocultas dentro de la estructura. Registró la cantidad de muones después de que atravesaran la Pirámide. Con la invención de esta técnica de seguimiento de partículas, desarrolló los métodos para generar el muograma en función de los ángulos de llegada de los muones. El muograma generado se comparó con los resultados de simulaciones por computadora, y concluyó que no había cámaras ocultas en la Pirámide de Kefrén después de que el aparato estuviera expuesto a la Pirámide durante varios meses.

El trabajo pionero de Tanaka y Niwa dio origen a la muografía con película, que utiliza emulsión nuclear . Esta técnica les permitió obtener en 2007 las primeras imágenes del interior de un volcán activo, ^{[ 18 ]} revelando la estructura del conducto magmático del volcán Asama . Se tomaron exposiciones de emulsiones nucleares en dirección al volcán y posteriormente se analizaron con un microscopio de barrido de reciente invención, diseñado específicamente para identificar trazas de partículas con mayor eficiencia. ^{[ 19 ]}

En 1968, el grupo de Álvarez utilizó cámaras de chispas con lectura digital para su experimento de la Pirámide. Los datos de seguimiento del aparato se registraban en cinta magnética en la Cámara Belzoni, y luego eran analizados por la computadora IBM 1130 , y posteriormente por la computadora CDC 6600 ubicada en la Universidad Ein Shams y el Laboratorio de Radiación Lawrence, respectivamente. ^{[ 17 ]} Estrictamente hablando, estas no eran mediciones en tiempo real.

La muografía en tiempo real requiere sensores de muones para convertir la energía cinética del muón en electrones, procesando así los eventos muónicos como datos electrónicos en lugar de como cambios químicos en la película. Los datos de seguimiento electrónico se pueden procesar casi instantáneamente con un procesador informático adecuado; en cambio, los datos de la muografía en película deben revelarse antes de poder observar las trayectorias de los muones. El seguimiento en tiempo real de las trayectorias de los muones produce muogramas en tiempo real que serían difíciles o imposibles de obtener con la muografía en película.

El detector MicroMegas tiene una resolución de posicionamiento de 0,3  mm, un orden de magnitud superior a la del aparato basado en centelleadores (10  mm), ^{[ 20 ] [ 21 ]} y por lo tanto tiene la capacidad de crear una mejor resolución angular para muogramas.

Los muones se han utilizado para obtener imágenes de cámaras magmáticas y predecir erupciones volcánicas . ^{[ 22 ]} Kanetada Nagamine et al. ^{[ 23 ]} continúan investigando activamente la predicción de erupciones volcánicas mediante radiografía de atenuación de rayos cósmicos. Minato ^{[ 24 ]} utilizó recuentos de rayos cósmicos para radiografiar una gran puerta de templo. Emil Frlež et al. ^{[ 25 ]} informaron sobre el uso de métodos tomográficos para rastrear el paso de muones de rayos cósmicos a través de cristales de yoduro de cesio con fines de control de calidad. Todos estos estudios se han basado en encontrar alguna parte del material de la imagen que tenga una densidad menor que el resto, lo que indica una cavidad. La imagen de transmisión de muones es el método más adecuado para adquirir este tipo de información.

En 2021, Giovanni Leone y su grupo revelaron que la frecuencia de las erupciones volcánicas está relacionada con la cantidad de material volcánico que se mueve a través de un conducto cercano a la superficie en un volcán activo. ^{[ 26 ]}

La muografía se ha utilizado para mapear el interior de grandes estructuras de ingeniería civil, como presas, y sus alrededores con fines de seguridad y prevención de riesgos. ^{[ 42 ]} La imagen muográfica se aplicó para la identificación de pozos de construcción ocultos ubicados sobre el antiguo túnel de Alfreton (construido en 1862) en el Reino Unido. ^{[ 43 ]}

La muografía se aplicó para investigar las condiciones de los reactores nucleares dañados por el desastre nuclear de Fukushima y ayudó a confirmar su estado de fusión casi completa. ^{[ 44 ]}

Reactor de hormigón de Los Alamos

En el verano de 2011, se obtuvo una imagen de una maqueta de reactor utilizando el Muon Mini Tracker (MMT) en Los Alamos. ^{[ 47 ]} El MMT consta de dos detectores de muones formados por tubos de deriva sellados. En la demostración, se midieron los muones de rayos cósmicos que atravesaban una disposición física de hormigón y plomo ; materiales similares a un reactor. La maqueta consistía en dos capas de bloques de blindaje de hormigón y un conjunto de plomo entre ellas; un detector se instaló a 2,5 metros (8 pies 2 pulgadas) de altura y otro en el suelo, en el lado opuesto. Se obtuvo una imagen del plomo con un hueco cónico de forma similar al núcleo fundido del reactor de Three Mile Island a través de las paredes de hormigón. Se necesitaron tres semanas para acumular 8 × 10 ^ ⁴ eventos de muones. El análisis se basó en el punto de máxima aproximación, donde los pares de trayectorias se proyectaron al plano medio del objetivo y el ángulo de dispersión se trazó en la intersección. Este objeto de prueba se pudo fotografiar con éxito, a pesar de que era significativamente más pequeño de lo esperado en Fukushima Daiichi para el propuesto detector de muones de Fukushima (FMT).  

El Tratado de No Proliferación Nuclear (TNP), firmado en 1968, representó un paso fundamental en la no proliferación de armas nucleares. En virtud del TNP, los Estados no poseedores de armas nucleares tenían prohibido, entre otras cosas, poseer, fabricar o adquirir armas nucleares u otros dispositivos explosivos nucleares. Todos los signatarios, incluidos los Estados poseedores de armas nucleares, se comprometieron con el objetivo del desarme nuclear total .

El Tratado de Prohibición Completa de los Ensayos Nucleares (TPCEN) prohíbe todas las explosiones nucleares en cualquier entorno. Herramientas como la tomografía de muones pueden ayudar a detener la dispersión de material nuclear antes de que se convierta en un arma. ^{[ 52 ]}

El tratado Nuevo START ^{[ 53 ]} , firmado por Estados Unidos y Rusia, tiene como objetivo reducir el arsenal nuclear hasta en un tercio. La verificación implica una serie de problemas logísticos y técnicos complejos. Los nuevos métodos de visualización de ojivas son de vital importancia para el éxito de las inspecciones mutuas.

La tomografía de muones puede utilizarse para la verificación de tratados debido a varios factores importantes. Es un método pasivo, seguro para los humanos y no aplica una dosis radiológica artificial a la ojiva. Los rayos cósmicos son mucho más penetrantes que los rayos gamma o los rayos X. Las ojivas pueden visualizarse dentro de un contenedor con un blindaje significativo y en presencia de interferencias. Los tiempos de exposición dependen del objeto y de la configuración del detector (unos pocos minutos si se optimiza). Si bien la detección de material nuclear especial (SNM) puede confirmarse de forma fiable, y los objetos SNM discretos pueden contarse y localizarse, el sistema puede diseñarse para no revelar detalles potencialmente sensibles del diseño y la composición del objeto. ^{[ 54 ]}

El escáner de puerto del Sistema de Detección Pasiva Multimodo (MMPDS), ubicado en Freeport, Bahamas, puede detectar tanto material nuclear blindado como explosivos y contrabando. El escáner es lo suficientemente grande como para que pase un contenedor de carga, lo que lo convierte en una versión ampliada del Mini Muon Tracker. Luego produce una imagen 3D de lo escaneado. ^{[ 55 ]}

Herramientas como el MMPDS pueden utilizarse para prevenir la proliferación de armas nucleares. El uso seguro y eficaz de rayos cósmicos puede implementarse en puertos para contribuir a los esfuerzos de no proliferación, o incluso en ciudades, bajo pasos elevados o en las entradas de edificios gubernamentales.

El detector submarino hiperkilométrico de profundidad (HKMSDD) fue diseñado como una técnica para realizar observaciones muográficas de forma autónoma bajo el mar a costos razonables mediante la combinación de matrices lineales de módulos de sensores muográficos con estructuras de tubos subacuáticos. ^{[ 68 ]}

En la muografía submarina, los movimientos de masa dependientes del tiempo que consisten en cuerpos de fluido gigantescos y cuerpos de material sólido sumergidos, o que se encuentran dentro de ellos, pueden visualizarse con mayor precisión que con la muografía terrestre. Las fluctuaciones dependientes del tiempo del flujo de muones debidas a las variaciones de la presión atmosférica se suprimen cuando la muografía se realiza bajo el lecho marino gracias al "efecto barométrico inverso (EBI)" del agua de mar. Las bajas presiones atmosféricas, como las observadas en el centro de un ciclón, succionan el agua de mar; por otro lado, las altas presiones atmosféricas la empujan hacia abajo. Por lo tanto, la fluctuación de la presión barométrica del muón se compensa en gran medida por el EBI a nivel del mar. ^{[ 68 ]}

El éxito de la captura y almacenamiento de carbono (CAC) depende de la capacidad de contener de forma fiable los materiales dentro de los contenedores de almacenamiento. Se ha propuesto utilizar la muografía como herramienta de monitorización para la CAC. En 2018, un estudio de dos meses de duración respaldó la viabilidad de la monitorización muográfica de la CAC. Se llevó a cabo en el Reino Unido, en la mina Boulby, en un pozo de 1,1 kilómetros (3600 pies) de profundidad. ^{[ 69 ]} 

La comercialización de la tomografía de muones es un campo en auge que utiliza principalmente muones de rayos cósmicos naturales para la obtención de imágenes a gran escala. Desde la década de 2000, empresas de todo el mundo están adaptando esta técnica de física de partículas para diversas aplicaciones industriales. Una de las pioneras, Decision Sciences International Corporation, se centra en aplicaciones de seguridad y emplea la tomografía de dispersión de muones para escanear grandes contenedores de carga y vehículos en busca de amenazas nucleares blindadas y otros artículos de contrabando.

La empresa canadiense Ideon Technologies se especializa en inteligencia del subsuelo para la exploración y minería de minerales. Empresas europeas como la estonia-británica GScan y la finlandesa Muon Solutions se centran en ensayos no destructivos de infraestructura civil, por ejemplo, véase el proyecto Structures Moonshot de la Agencia Nacional de Carreteras del Reino Unido y AtkinsRéalis . ^{[ 70 ]} La empresa británica Geoptic también participa activamente en investigaciones de infraestructura. La empresa israelí Lingacom trabaja en sistemas de imágenes basados ​​en muones para seguridad y prospección subterránea. Otros actores, como la británica Lynkeos Technology, se han centrado en aplicaciones especializadas, como la monitorización de contenedores de residuos nucleares de alta actividad.

Uno de los primeros desarrolladores comerciales en el campo de las fuentes artificiales es MuRayTech , una empresa derivada de GScan y DESY en Hamburgo, Alemania. Con sedes en Tallin, Estonia; Hamburgo, Alemania; y Cambridge, Reino Unido, MuRayTech se dedica específicamente al desarrollo de tecnología de aceleradores láser-plasma para crear muones generados artificialmente bajo demanda para tomografía de muones precisa en el control de calidad industrial y el diagnóstico médico. ^{[ 5 ]}

La tomografía por dispersión de muones fue propuesta por primera vez por Chris Morris y su grupo en el Laboratorio Nacional de Los Alamos (LANL). ^{[ 71 ]} Esta técnica permite localizar la fuente de dispersión de Rutherford del muón mediante el seguimiento de los muones entrantes y salientes del objetivo. Dado que las longitudes de radiación tienden a ser más cortas para materiales con números atómicos más altos , y por lo tanto se esperan ángulos de dispersión mayores para las mismas longitudes de trayectoria, esta técnica es más sensible para distinguir diferencias entre materiales dentro de estructuras y, por consiguiente, puede utilizarse para obtener imágenes de metales pesados ​​ocultos dentro de materiales ligeros. Por otro lado, esta técnica no es adecuada para obtener imágenes de estructuras vacías o materiales ligeros ubicados dentro de materiales pesados.

LANL y su empresa derivada Decision Sciences aplicaron la técnica MST para obtener imágenes del interior de grandes camiones y otros contenedores de almacenamiento con el fin de detectar materiales nucleares. ^{[ 72 ]} Un sistema similar que utilizaba MST fue desarrollado en la Universidad de Glasgow y su empresa derivada Lynkeos Technology para aplicarse al monitoreo de la robustez de los contenedores de residuos nucleares en el sitio de almacenamiento de Sellafield . ^{[ 73 ]}

Con la tomografía de dispersión de muones, se reconstruyen las trayectorias de entrada y salida de cada partícula. Se ha demostrado que esta técnica es útil para encontrar materiales con un número atómico alto en un fondo de material con un número atómico alto, como el uranio, o material con un número atómico bajo. ^{[ 74 ] [ 75 ]} Desde el desarrollo de esta técnica en Los Alamos, varias empresas han comenzado a utilizarla para diversos fines, sobre todo para detectar cargamento nuclear que ingresa a puertos y cruza fronteras.

El equipo del Laboratorio Nacional de Los Alamos ha construido un mini rastreador de muones portátil (MMT). Este rastreador de muones está construido con tubos de deriva de aluminio sellados , ^{[ 76 ]} que se agrupan en veinticuatro planos de 1,2 metros cuadrados (4 pies) . Los tubos de deriva miden las coordenadas de las partículas en X e Y con una precisión típica de varios cientos de micrómetros. El MMT se puede mover mediante una transpaleta o una carretilla elevadora. Si se ha detectado un material nuclear, es importante poder medir los detalles de su construcción para evaluar correctamente la amenaza. ^{[ 77 ]} 

MT utiliza radiografía de dispersión múltiple. Además de la pérdida de energía y la detención, los rayos cósmicos experimentan dispersión de Coulomb. La distribución angular es el resultado de múltiples dispersiones simples. Esto da lugar a una distribución angular de forma gaussiana con colas debidas a la dispersión simple y múltiple de gran ángulo. La dispersión proporciona un método novedoso para obtener información radiográfica con haces de partículas cargadas . Más recientemente, se ha demostrado que la información de dispersión de muones de rayos cósmicos es un método útil de radiografía para aplicaciones de seguridad nacional. ^{[ 74 ] [ 78 ] [ 79 ] [ 80 ]}

La dispersión múltiple se puede definir como cuando el espesor aumenta y el número de interacciones se vuelve alto, la dispersión angular se puede modelar como gaussiana. Donde la parte dominante de la distribución polar-angular de dispersión múltiple es

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} N}{\mathrm {d} \theta }}={\frac {1}{2\pi \theta _{0}^{2}}}\,\exp {\left(-{\frac {\theta ^{2}}{2\theta _{0}^{2}}}\right)}.}$

donde θ es el ángulo de dispersión del muón y θ ₀ es la desviación estándar del ángulo de dispersión, se da aproximadamente por

${\displaystyle \theta _{0}={\frac {14.1\,\mathrm {MeV} }{pc\beta }}{\sqrt {\frac {X}{X_{0}}}}.}$

El momento y la velocidad del muón son p y β , respectivamente; c es la velocidad de la luz; X es la longitud del medio de dispersión; y _X₀ es la longitud de radiación del material. Esto debe convolucionarse con el espectro de momento de los rayos cósmicos para describir la distribución angular.

La imagen se puede reconstruir mediante GEANT4 . ^{[ 81 ]} Estas ejecuciones incluyen vectores de entrada y salida,${\displaystyle {\vec {X}}}$en y${\displaystyle {\vec {X}}}$para cada partícula incidente. El flujo incidente proyectado a la ubicación central se utilizó para normalizar la radiografía de transmisión (método de atenuación). A partir de aquí, los cálculos se normalizan para el ángulo cenital del flujo.

A pesar de los diversos beneficios del uso de muones de rayos cósmicos para la obtención de imágenes de objetos grandes y densos, como contenedores de combustible nuclear gastado y reactores nucleares, sus amplias aplicaciones suelen estar limitadas por el bajo flujo natural de muones a nivel del mar, aproximadamente 10 000 m⁻² ^min⁻¹ . ^Para superar esta limitación, se deben medir dos cantidades importantes —el ángulo de dispersión, θ , y el momento, p— para cada evento de muón durante la medición. Para medir el momento de los muones de rayos cósmicos en el campo, se ha desarrollado un espectrómetro de muones portátil que utiliza radiadores Cherenkov de gas presurizado multicapa, y la tomografía con espectrómetro de muones muestra resoluciones mejoradas en la tomografía de dispersión de muones. ^{[ 82 ]}

Mu-CAT es una técnica que combina múltiples imágenes muográficas proyectadas para crear una imagen muográfica 3D. En principio, es similar a las imágenes médicas utilizadas en radiología (tomografías computarizadas) para obtener imágenes internas tridimensionales del cuerpo. ^{[ 83 ]} Mientras que los escáneres de tomografía computarizada utilizan un generador de rayos X giratorio alrededor del objeto objetivo, Mu-CAT utiliza múltiples detectores alrededor del objeto objetivo y muones naturales como sondas. Se aplica la técnica de reconstrucción tomográfica ^{[ 84 ]} o el problema inverso ^{[ 83 ]} a estos datos de las observaciones de Mu-CAT para reconstruir imágenes 3D. ^{[ 83 ]}  

Mu-CAT reveló la posición tridimensional de una zona fracturada debajo del fondo del cráter de un volcán activo relacionada con una erupción pasada que había causado un gran flujo piroclástico y de lava en su ladera norte. ^{[ 83 ]}

El detector CRIPT ( Cosmic Ray Inspection and Passive Tomography ) ^{[ 85 ]} es un proyecto canadiense de tomografía de muones que rastrea eventos de dispersión de muones y, simultáneamente, estima su momento. El detector CRIPT tiene una altura de 5,3 metros (17 pies) y una masa de 22 toneladas (22 toneladas largas; 24 toneladas cortas) . La mayor parte de la masa del detector se encuentra en el espectrómetro de momento de muones, una característica única de CRIPT en lo que respecta a la tomografía de muones. 

Después de la construcción y puesta en marcha iniciales ^{[ 86 ]} en la Universidad de Carleton en Ottawa , Canadá , el detector CRIPT fue trasladado a los Laboratorios Chalk River de Atomic Energy Of Canada Limited . ^{[ 87 ]}

El detector CRIPT está examinando actualmente las limitaciones en el tiempo de detección para aplicaciones de seguridad fronteriza, las limitaciones en la resolución de imágenes de tomografía de muones, la verificación de reservas de desechos nucleares y la observación del clima espacial mediante la detección de muones.