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Jul 03, 2023

Terra, vento e acqua: come i muoni cosmici aiutano a studiare vulcani, cicloni e altro ancora

Michael Allen scruta le profondità dei disastri naturali, mentre parla ai fisici che utilizzano la tomografia muonica per comprendere meglio i vulcani e i cicloni tropicali Scienziati e

Michael Allenscruta le profondità dei disastri naturali, mentre parla ai fisici che utilizzano la tomografia muonica per comprendere meglio i vulcani e i cicloni tropicali

Scienziati e ingegneri cercano sempre di costruire sistemi di allerta precoce migliori per mitigare i danni alla vita e alle proprietà causati da disastri naturali come i vulcani. Una tecnica a cui i ricercatori si rivolgono sempre più è, per molti versi, mandata dal cielo. Implica l’uso dei muoni: particelle subatomiche prodotte quando i raggi cosmici – per lo più protoni ad alta energia originati da eventi come le supernove – si scontrano con atomi a 15-20 chilometri di altezza nella nostra atmosfera.

Sappiamo che l'atmosfera terrestre viene costantemente colpita da questi raggi cosmici primari, e le collisioni producono una pioggia di particelle secondarie, tra cui elettroni, pioni, neutrini e muoni. Infatti, ogni minuto circa 10.000 muoni provenienti da questi raggi cosmici secondari cadono su ogni metro quadrato della superficie terrestre. Queste particelle hanno tutte le stesse proprietà degli elettroni ma hanno circa 200 volte la massa, il che significa che possono viaggiare molto più lontano attraverso le strutture solide rispetto agli elettroni.

Ma ciò che rende i muoni interessanti come sonda è che le interazioni tra i muoni e i materiali che attraversano influenzano il loro flusso, con oggetti più densi che deviano e assorbono più muoni rispetto a strutture meno dense. È questa differenza di flusso che viene utilizzata per immaginare la struttura interna dei vulcani in una tecnica nota come “muografia”. Il termine è stato coniato nel 2007 da Hiroyuki Tanaka dell'Università di Tokyo e dai suoi colleghi, che hanno fornito la prima dimostrazione che vuoti e cavità all'interno del vulcano potevano essere rilevati con la tecnica (Earth Planet. Sci. Lett.2631–2).

Conosciuta anche come tomografia muonica, utilizza rilevatori per produrre una mappa di densità inversa dell'oggetto attraverso il quale sono passati i muoni. I punti in cui più muoni colpiscono i sensori rappresentano aree meno dense della struttura, mentre un minor numero di muoni evidenzia parti più dense. Tanaka e colleghi hanno persino provato a prevedere le eruzioni vulcaniche utilizzando la muografia combinata con una rete neurale convoluzionale con apprendimento profondo basato sull’intelligenza artificiale. Nel 2020 hanno utilizzato questa tecnica per studiare uno dei vulcani più attivi del mondo: il vulcano Sakurajima nel Giappone meridionale (vedi sopra), che ha eruttato 7000 volte negli ultimi dieci anni (Sci. Rep.105272).

La muografia è molto simile alla radiografia, secondo Jacques Marteau, fisico delle particelle presso l'Istituto di fisica dei 2 infiniti (IP2I) a Lione, in Francia. "Sostituisce i raggi X dell'imaging medico con un'altra particella, vale a dire il muone", afferma. "La muografia è fondamentalmente un processo di imaging che scansiona la densità di un oggetto esattamente allo stesso modo dell'imaging a raggi X."

La muografia è un processo di imaging che scansiona la densità di un oggetto esattamente allo stesso modo dell'imaging a raggi X

Per rilevare i muoni possono essere utilizzati diversi dispositivi, la maggior parte dei quali sono stati sviluppati come parte di esperimenti di fisica delle particelle, come al Large Hadron Collider del CERN. Quando si tratta di imaging dei vulcani, tuttavia, i rilevatori più comunemente utilizzati sono costituiti da strati di scintillatori. Mentre i muoni passano attraverso il rivelatore, ogni strato produce un lampo di luce che insieme può essere utilizzato per ricostruire la traiettoria in entrata delle particelle. I rilevatori sono posizionati sulle pendici inferiori del vulcano e sono angolati per rilevare i muoni che lo attraversano.

Ma la muografia non è stata utilizzata solo per immaginare la struttura interna dei vulcani. I ricercatori hanno utilizzato la tecnica anche per rilevare cambiamenti di densità all’interno dei vulcani legati alla risalita del magma, nonché cambiamenti nella forma del magma, nell’attività idrotermale e nella pressione nelle cavità e nei condotti.

Giovanni Macedonio, direttore della ricerca presso l'Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia di Roma, Italia, spiega che esistono tre tecniche principali per studiare e monitorare i vulcani. Uno è utilizzare i dati sismici. Un altro è misurare le deformazioni del terreno con i satelliti, mentre un terzo riguarda l'analisi della geochimica dei fluidi nel vulcano.