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

Los rayos X alcanzan rápidamente sus límites. Sólo se tragan casi por completo unos pocos centímetros de plomo o una gruesa capa de acero, por lo que las autoridades aduaneras, las autoridades de seguridad y los operadores de plantas 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 realizar 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 deben recopilar datos durante semanas o meses, especialmente 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 los rayos X llevan mucho tiempo atrapados. Se desintegran al cabo de unos 2,2 microsegundos, pero a altas velocidades esto todavía es suficiente para cubrir 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, lograda utilizando únicamente muones cósmicos. En Fukushima, los investigadores también mapearon de esta manera el combustible fundido 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 limitados 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 electrones de los núcleos atómicos y deja una onda, similar a la estela de un barco, en el plasma resultante. Los electrones que viajan en esta onda alcanzan energías de varios gigaelectronvoltios en distancias que van desde centímetros hasta metros. Los campos de aceleración alcanzan los 100 gigavoltios por metro y, por tanto, son mil veces más potentes que 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 los 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 hallazgos 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 gigaelectronvoltios fotografió los objetos de prueba a una distancia de unos 15 metros. En el camino tuvo que atravesar primero un grueso 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 gigaelectronvoltios.

Los investigadores probaron si los muones realmente cumplían su función de dos maneras. Grandes detectores de centelleo han registrado 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 liberó tantos muones como rayos cósmicos cerca del horizonte produjeron en más de ocho horas. Esto ahorra una enorme cantidad de tiempo en mediciones en las que un objeto debe iluminarse lateralmente, porque los muones cósmicos que inciden en la superficie son particularmente raros y la exposición requiere un tiempo correspondientemente largo.

Para qué quieren utilizar la tecnología las autoridades

Detrás de la investigación se encuentra el programa Muons for Science and Security de la agencia de investigación militar estadounidense DARPA. El Laboratorio Nacional Lawrence Livermore lidera el proyecto ICMuS2 para desarrollar una fuente de muones transportable cuyo flujo de partículas se espera que supere el flujo natural en órdenes de magnitud. A largo plazo, el objetivo es alcanzar energías 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. Los métodos de rayos X fallan en todas partes debido al espesor o la densidad del material, mientras que los muones cósmicos emiten resultados demasiado lentos. Una fuente que algún día podría aparecer en un tráiler podría superar ambas debilidades.

La física del láser se está transformando en una herramienta que va mucho más allá del laboratorio. Los pulsos ultracortos ahora también conmutan los dispositivos de almacenamiento de datos magnéticos, como lo demuestra un rayo láser diseñado 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 una cantidad suficiente de electrones genere la energía necesaria. La tasa de repetición también es importante para el uso práctico, porque cuantos más pulsos por segundo proporciona 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 se pueden colocar junto al objeto a probar sin mucho esfuerzo.

Lo que falta incluso antes de su uso.

La obra es todavía un preprint, es decir, no ha sido examinada por revisores independientes, aunque 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 en sí ocupa ahora todo un cobertizo y está lejos de poder caber en un camión. Por cierto, la omnipresencia de las partículas cósmicas se demuestra precisamente allí donde los físicos quieren deshacerse de ellas, porque a menudo se encuentran 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 un solo disparo con una fuente impulsada por un acelerador de campo de estela láser de múltiples GeV; doi:10.48550/arXiv.2607.12984