El láser ilumina la pared de un camión y una casa con un solo pulso

Los rayos X alcanzan rápidamente sus límites. Se tragan casi por completo sólo unos pocos centímetros de plomo o una gruesa camisa de acero, por lo que las autoridades aduaneras, las autoridades de seguridad y los operadores de instalaciones nucleares llevan años buscando alternativas. Uno de ellos cae literalmente del cielo. Cuando los rayos cósmicos de alta energía inciden en los átomos de la atmósfera a una altitud de 15 a 20 kilómetros, se crean muones que llegan al suelo y penetran incluso capas gruesas de roca. A nivel del mar, hay aproximadamente una partícula de este tipo por centímetro cuadrado por minuto, suficiente para mediciones constantes del fondo, pero muy poca para obtener imágenes rápidas. La radiografía de muones ya utiliza esta fuente natural para examinar volcanes, pirámides y reactores destruidos. Sin embargo, para producir una imagen utilizable, los detectores tienen que recopilar datos durante semanas o meses, sobre todo porque las partículas caen principalmente desde arriba y rara vez desde la dirección en la que se encuentra el objeto.

Los muones son similares a los electrones, pero son unas 207 veces más pesados. Como apenas interactúan con la materia, vuelan a través del hormigón, la roca y el acero, donde hace tiempo que los rayos X se quedan atrapados. Se desintegran al cabo de unos 2,2 microsegundos, pero a altas velocidades esto sigue siendo suficiente para largas distancias gracias a la dilatación del tiempo de la teoría de la relatividad. Lo poderoso que es el proceso quedó demostrado en 2017 con el descubrimiento de una gran cavidad previamente desconocida en la Gran Pirámide, que se logró utilizando únicamente muones cósmicos. En Fukushima, los investigadores también mapearon de esta manera el combustible derretido en los reactores dañados. Por eso, el sueño de muchos físicos es el de una fuente artificial que envíe muones de forma específica y en grandes cantidades en la dirección deseada. Los aceleradores de partículas clásicos pueden hacer esto, pero son enormes, caros y están ligados a su ubicación, por lo que no son adecuados para pruebas móviles.

Cómo un acelerador de plasma láser crea muones

Los aceleradores de plasma láser prometen una salida. Un pulso láser extremadamente corto e intenso golpea un gas, arranca los electrones de sus núcleos atómicos y deja una onda en el plasma resultante, similar a la estela de un barco. Los electrones que viajan en esta onda alcanzan energías de varios gigaelectrones voltios en distancias que van desde centímetros hasta metros. Los campos de aceleración alcanzan hasta 100 gigavoltios por metro y, por lo tanto, aproximadamente mil veces más fuertes que en los sistemas convencionales. Cuando los electrones rápidos golpean un objetivo hecho de material pesado, se crean nuevas partículas en una cascada de reacciones, incluidos piones, neutrones y muones. En el desarrollo participan investigadores de la Universidad Estatal de Colorado, cuyo potente láser ALEPH de la clase de petavatios sirve como plataforma experimental del proyecto y puede emitir sus impulsos en rápida sucesión.

Los láseres iluminan los camiones desde una distancia de 15 metros

Un equipo dirigido por Kaixin Zhu y Brendan Reagan describe los resultados en un artículo publicado en el servidor de preimpresión arXiv con 32 autores, incluidos investigadores de la Universidad Estatal de Colorado, el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, la Universidad de Maryland y la instalación láser europea ELI Beamlines en la República Checa. El haz de partículas con energías de uno a diez gigaelectrones voltios fotografió los objetos de prueba a una distancia de unos 15 metros. En el camino tuvo que atravesar primero un denso escudo de plomo, luego la pared de un edificio y finalmente la pared de un camión. Detrás de él, los detectores registraron suficientes partículas para obtener una imagen fluoroscópica a partir de un único pulso láser. Según los autores, se trata de la primera radiografía de este tipo con una fuente láser en el rango de varios gigaelectrones voltios.

Los investigadores probaron de dos maneras que los muones realmente estaban haciendo el trabajo. Grandes detectores de centelleo registraron eventos de desintegración con un retraso que coincide con la vida útil conocida de los muones. Las simulaciones por computadora también mostraron que la porción de alta energía del haz que atraviesa el objeto de prueba está compuesta casi en su totalidad por muones, mientras que los piones y neutrones en gran medida quedan en el camino. La comparación con la naturaleza es particularmente impresionante. Un solo pulso produjo tantos muones como rayos cósmicos cerca del horizonte en más de ocho horas. Esto ahorra una enorme cantidad de tiempo en mediciones en las que es necesario iluminar un objeto desde un lado, porque los muones cósmicos que inciden superficialmente son particularmente raros y la exposición requiere un tiempo correspondientemente largo.

¿Para qué quieren las autoridades utilizar la tecnología?

El programa Muons for Science and Security de la agencia de investigación militar estadounidense DARPA está detrás de la investigación. El Laboratorio Nacional Lawrence Livermore lidera el proyecto ICMuS2 para desarrollar una fuente de muones transportable cuyo flujo de partículas debería superar el natural en varios órdenes de magnitud. A largo plazo, los interesados ​​aspiran a energías de entre 10 y 100 gigaelectrones voltios. Los posibles campos de aplicación incluyen el control de contenedores y vehículos en busca de materiales nucleares ocultos, el control de contenedores de almacenamiento con combustible gastado, la comprobación de puentes y altos hornos en ruinas o la inspección de búnkeres y túneles. En todas partes, los métodos de rayos X fallan debido al espesor o la densidad del material, mientras que los muones cósmicos lo emiten con demasiada lentitud. Una fuente que algún día quepa en un tráiler podría superar ambas debilidades.

La física del láser se está convirtiendo en una herramienta que va mucho más allá del laboratorio. Los impulsos ultracortos ahora incluso cambian los dispositivos de almacenamiento de datos magnéticos, como lo muestra un rayo láser moldeado para discos duros más rápidos. Sin embargo, la fuente de muones es de un orden de magnitud completamente diferente. Los pulsos deben alcanzar niveles de potencia del orden de los petavatios para que suficientes electrones puedan generar la energía necesaria. La tasa de repetición también es importante para el uso práctico, porque cuantos más pulsos por segundo entrega un sistema, más rápido se crean las imágenes y más fácil es escanear objetos grandes paso a paso. El desarrollo posterior comienza con estos tornillos de ajuste, así como con detectores más compactos que pueden instalarse junto a un objeto de prueba sin mucho esfuerzo.

Lo que aún falta antes de su uso.

El trabajo es todavía una preimpresión, es decir, no ha sido revisado por revisores independientes, aunque los medios especializados ya están recogiendo los resultados. Además, los muones provienen de un haz mixto que requiere un blindaje denso para filtrar piones y neutrones. El láser ocupa actualmente una sala entera y está lejos de poder caber en un camión. Por cierto, lo omnipresentes que son las partículas cósmicas se muestra precisamente allí donde los físicos quieren deshacerse de ellas, porque a menudo hay detectores especialmente sensibles en las profundidades de la roca, como en el experimento con el gato de Schrödinger y la gravedad en las rocas. Sin embargo, el experimento marca un punto de inflexión porque muestra por primera vez que un rayo láser atraviesa obstáculos reales y proporciona una imagen utilizable detrás de ellos.

arXiv, radiografía de partículas y muones de alta energía de disparo único con una fuente impulsada por un acelerador de campo de vigilia láser de múltiples GeV; doi:10.48550/arXiv.2607.12984