Per vedere attraverso due metri di cemento non servono raggi X fantascientifici e nemmeno superpoteri. Servono invece un laser da 10 petawatt, un fascio di muoni e una quantità considerevole di fisica delle particelle. È quanto hanno dimostrato alcuni ricercatori utilizzando il sistema laser dell’Extreme Light Infrastructure Nuclear Physics, in Romania, riuscendo a ottenere un’immagine di un oggetto di piombo collocato dietro una spessa barriera di cemento.
Le immagini ottenute sono tutt’altro che paragonabili a una fotografia tradizionale: risultano poco dettagliate e ricordano più un’ombra ricostruita attraverso la materia. Ma proprio questa capacità di individuare ciò che si trova dall’altra parte di una struttura opaca rappresenta un risultato tecnologicamente interessante, perché apre nuove possibilità per l’imaging muonico, una tecnica già utilizzata in archeologia, geologia e ricerca mineraria.
La vera protagonista è una particella quasi invisibile
Il protagonista dell’esperimento non è in realtà il laser, ma il muone. Si tratta di una particella elementare appartenente alla famiglia dei leptoni, la stessa a cui appartiene l’elettrone, ma con una massa circa 200 volte maggiore.
I muoni si formano continuamente nell’atmosfera quando i raggi cosmici ad alta energia colpiscono le particelle presenti nell’aria. Queste collisioni generano altre particelle, tra cui i pioni, che decadono rapidamente producendo muoni.
La loro vita è brevissima, ma la loro elevata energia permette a una parte di essi di raggiungere la superficie terrestre. E c’è una caratteristica che li rende particolarmente preziosi: riescono ad attraversare quantità di materia molto maggiori rispetto alla radiazione elettromagnetica utilizzata nelle tecniche di imaging convenzionali.
È proprio questa capacità di penetrazione che permette ai muoni di diventare una sorta di sonda naturale del sottosuolo.
Come si può “fotografare” ciò che non si vede
Il principio è sorprendentemente intuitivo. Immaginiamo di avere una sorgente di muoni da un lato e un rivelatore dall’altro. Se tra i due elementi viene collocato un oggetto molto denso, una parte delle particelle verrà assorbita o deviata.
Misurando quanti muoni arrivano al rivelatore e da quale direzione, è possibile ricostruire una sorta di ombra dell’oggetto attraversato.
La tecnica viene chiamata muografia e viene già impiegata per studiare strutture che non possono essere facilmente aperte o attraversate con metodi tradizionali. Uno degli esempi più celebri riguarda le piramidi egizie, dove i muoni provenienti dai raggi cosmici sono stati utilizzati per cercare cavità nascoste all’interno delle strutture.
Il problema è che i muoni naturali arrivano da tutte le direzioni e non sono particolarmente numerosi. Per alcune applicazioni questo rende le misurazioni molto lente.
Ed è qui che entra in scena il laser.
Dieci petawatt concentrati in un lampo
Il laser utilizzato presso ELI-NP è in grado di raggiungere una potenza di picco di 10 petawatt, cioè 10 milioni di miliardi di watt. È una cifra che rischia di perdere significato se non si considera un dettaglio fondamentale: quella potenza viene raggiunta soltanto per un intervallo di tempo estremamente breve.
Non significa quindi che il laboratorio produca continuamente una quantità di energia paragonabile a quella consumata dal pianeta. Il punto è che una quantità enorme di energia può essere concentrata in un impulso brevissimo.
Il fascio laser viene utilizzato per accelerare elettroni fino a energie molto elevate. Gli elettroni vengono poi fatti interagire con un bersaglio di piombo, generando una cascata di particelle dalla quale è possibile ottenere anche muoni ad alta energia.
Il risultato è una sorgente artificiale di particelle che può essere indirizzata verso un bersaglio specifico, superando uno dei principali limiti della muografia basata esclusivamente sui raggi cosmici.
Il muro di cemento non è più completamente opaco
Nell’esperimento, il fascio è stato fatto attraversare da un sistema progettato per eliminare il maggior numero possibile di particelle indesiderate. I muoni risultanti sono stati quindi inviati attraverso due metri di cemento.
Dall’altra parte della barriera era collocato un sistema di rivelazione. Tra i dati raccolti è comparsa l’ombra di una serie di blocchi di piombo posizionati davanti al rivelatore.
Non è una fotografia nel senso tradizionale del termine. Nessun sensore registra la luce riflessa dall’oggetto e nessuna immagine ottica attraversa il cemento. Quello che viene ricostruito è piuttosto un profilo della distribuzione dei muoni dopo il passaggio attraverso la materia.
È proprio questa distinzione a rendere l’esperimento interessante: non si sta “vedendo” attraverso il cemento come farebbe un occhio dotato di raggi X, ma utilizzando il comportamento delle particelle per dedurre che cosa si trova dall’altra parte.
Dalle piramidi ai carichi nascosti
Le possibili applicazioni sono numerose. La muografia potrebbe essere utilizzata per analizzare strutture molto spesse senza doverle perforare, per esempio in ambito archeologico, geologico o ingegneristico.
Una sorgente artificiale di muoni sufficientemente compatta potrebbe inoltre essere impiegata per studiare grandi oggetti metallici o strutture difficili da ispezionare con altre tecniche. Tra gli scenari ipotizzati rientrano gli scafi delle navi, grandi strutture industriali, montagne e persino componenti di infrastrutture particolarmente massicce.
In ambito minerario, per esempio, la capacità di attraversare grandi quantità di roccia potrebbe aiutare a individuare variazioni nella densità del sottosuolo. In archeologia potrebbe consentire di esplorare strutture antiche senza ricorrere immediatamente a interventi invasivi.
Naturalmente, tra una dimostrazione di laboratorio e uno strumento portatile utilizzabile sul campo esiste ancora una distanza considerevole.
Il vero limite è rendere la tecnologia pratica
Il risultato ottenuto in Romania non significa che sia già possibile acquistare una macchina capace di vedere attraverso qualsiasi muro. Generare muoni artificialmente richiede infrastrutture sofisticate, sistemi laser estremamente potenti e apparati di rilevazione complessi.
La sfida dei prossimi anni sarà quindi soprattutto tecnologica: rendere le sorgenti più efficienti, compatte e affidabili, aumentando al tempo stesso il numero di muoni disponibili e la qualità delle immagini.
Più particelle significa infatti poter raccogliere più informazioni in meno tempo. E una maggiore precisione potrebbe trasformare immagini oggi ancora molto rudimentali in strumenti diagnostici realmente utilizzabili.
Una nuova forma di “vista” attraverso la materia
L’esperimento rappresenta quindi qualcosa di più interessante di una semplice curiosità scientifica. Per la prima volta, un laser ad altissima potenza è stato utilizzato per produrre una sorgente artificiale di muoni capace di generare immagini attraverso una barriera di cemento di notevole spessore.
La tecnologia non ci permette ancora di vedere attraverso i muri con la facilità di Superman. Ma il principio fisico è reale e già oggi trova applicazioni concrete.
La differenza rispetto alla fantascienza è che non si tratta di vedere la materia come se fosse trasparente. Si tratta di leggere ciò che le particelle raccontano dopo averla attraversata.
E questo potrebbe rivelarsi ancora più utile: invece di aprire una struttura, perforare una montagna o smontare un carico, in futuro potrebbe essere sufficiente osservare come un fascio di particelle emerge dall’altra parte.
La “vista a raggi X” dei supereroi resta fantasia. Quella dei muoni, invece, è già fisica. E ora, grazie ai laser più potenti del mondo, potrebbe diventare anche una tecnologia sempre più concreta.
Foto di Klaus P. Rausch da Pixabay
