La búsqueda de cámaras ocultas en pirámides usando muones

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En noviembre de 2017 se publicó en Nature el descubrimiento de un cámara oculta en la Pirámide de Keops (Jufu para los antiguos egipcios), una de las tres grandes pirámides de Guiza (Egipto). La idea de usar muones para obtener imágenes del interior de pirámides, reactores nucleares y otras instalaciones de difícil acceso también se publicó en Nature, pero en 2003. Igual que la luz se refracta en el agua, los muones se refractan al atravesar un material. Un haz de muones de 3 GeV al atravesar 10 cm en agua se refracta 2,3 milirradianes, en hierro 11 milirradianes y en plomo 20 milirradianes. Un mapa de los ángulos de refracción de cada muón permite obtener una especie de radiografía de los materiales atravesados.

Los muones usados en la detección de la cámara en la pirámide tienen energías entre 20 GeV y 1000 GeV, siendo generados por la colisión de partículas de alta energía de los rayos cósmicos contra los átomos de la alta atmósfera. El muón en reposo tiene una masa de 0,1 GeV/c² y una vida media de 2,2 μs. La luz en el vacío recorre 10 km en unos 33 μs, luego solo los muones con alta energía pueden alcanzar la superficie terrestre gracias al efecto de la dilatación relativista del tiempo. Un muón que se mueve al 99,8% de la velocidad de la luz en el vacío incrementa su vida media en un factor de 16, y al 99,98% en un factor de 50. Se estima que unos diez mil muones por metro cuadrado y por minuto alcanzan la superficie terrestre para energías entre 20 GeV y 1000 GeV.

El artículo es Kunihiro Morishima, Mitsuaki Kuno, …, Mehdi Tayoubi, “Discovery of a big void in Khufu’s Pyramid by observation of cosmic-ray muons,” Nature 552: 386–390 (21 Dec 2017), doi: 10.1038/nature24647, arXiv:1711.01576 [physics.ins-det]; el método usado se publicó en Konstantin N. Borozdin, Gary E. Hogan, …, Margaret E. Teasdale, “Surveillance: Radiographic imaging with cosmic-ray muons,” Nature 422: 277 (20 Mar 2003), doi: 10.1038/422277a; la idea de usar muones para explorar cámaras ocultas en pirámides es de Luis W. Alvarez, Jared A. Anderson, …, Lauren Yazolino, “Search for Hidden Chambers in the Pyramids,” Science 167: 832-839 (1970), JSTOR 1728402.

En español hay muchas fuentes, te recomiendo “Los rayos cósmicos revelan una cámara secreta en la pirámide de Keops”, Agencia SINC, 02 Nov 2017; y el episodio 136 del podcast Coffee Break: Señal y Ruido, “Pirámides y Rayos Cósmicos; etc.”, Blog, 10 Nov 2017 [iVoox].

Dibujo20171105 Results of the analysis of the nuclear emulsion films nature 10 1038 nature24647

Los muones atraviesan la pirámide y cambian su ángulo de incidencia en el detector; el mapa de estos ángulos está correlacionado con las variaciones de la densidad del material atravesado. Los bloques de roca de la pirámide tienen una densidad entre 2,2 g/cm³ (caliza) y 2,6 g/cm³ (granito). Las cámaras vacías (o cuya densidad es significativamente menor de 2,2 g/cm³) se detectan al observar un mayor flujo de muones en ciertos ángulos (como ilustra la figura central). Estas cavidades puede que no estén vacías del todo, pero deben estar rellenas de un material de densidad mucho menor que la roca usada en la pirámide.

Dibujo20171105 Muon detectors installed for Khufu Pyramid nature 10 1038 nature24647

En el artículo se han usado varios tipos de detectores situados tanto en cámaras internas de la pirámide como en su parte exterior. Esta figura ilustra la posición de estos detectores, así como sus fotografías. Se han instalado detectores en la llamada Cámara de la Reina, películas de emulsión nuclear por el equipo de la Universidad de Nagoya y hodoscopios de centelleo por el equipo de KEK (High Energy Accelerator Research Organization). Los resultados se han confirmado con detectores de gas instalados fuera de la pirámide, por los equipos de CEA (Commissariat à l’Énergie Atomique) y de la Universidad Paris Saclay.

Dibujo20171105 Results of the analysis of the gas detectors nature 10 1038 nature24647

Dibujo20171105 Results of the analysis of the scintillation hodoscopes nature 10 1038 nature24647

Por supuesto, se necesitarán futuros estudios para esclarecer si la cavidad está vacía o rellena, y cuál es su papel (se ha sugerido que es estructural, pues estas cámaras permiten reducir las carga sobre otras cámaras situadas más abajo). En mi opinión, lo más relevante de la imagen por muones de sitios arqueológicos es que estos trabajos pioneros apuntan a un gran número de descubrimientos en las próximas décadas. Sin lugar a dudas, la física de partículas promete muchas aplicaciones en campos muy alejados de la física y de la ingeniería.

Vídeo de Germán Ros, @germanrosm, “La Radiografía de una Pirámide: ¿Cómo funciona el proyecto Scan Pyramids?”.


3 Comentarios

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AlbertAlbert

Francis: “… la física de partículas promete muchas aplicaciones en campos muy alejados de la física y de la ingeniería…”
Un ejemplo, también han utilizado los muones generados por los rayos cósmicos (“muongrafías”) para saber en donde está ubicado el combustible dispersado por las explosiones en el interior de la central Fukushima 2, (el uranio y el plutonio son muy opacos a los muones, mucho más opacos que el resto de materiales estructurales del reactor)
“Localizando restos de combustible en el interior del reactor 2 usando técnicas de medidas de muones en la Central Nuclear de Fukushima”
https://www4.tepco.co.jp/en/nu/fukus...28_01-e.pdf
Saludos.

notengoniideanotengoniidea

Me surge una pregunta, ¿por qué no generar los muones ex profeso para poder escanear al detalle?

¿Tanta energía hace falta? al fin y al cabo, generarlos ahí mismo hace la vida útil necesaria no sea tan grande, ¿no?

Francisco R. Villatoro

Como bien supones, no se dispone de fuentes portátiles de muones. Las únicas fuentes de muones son las desintegraciones de piones y kaones cargados, y para generarlos hay que colisionar protones contra un blanco (por ejemplo de grafito); no se dispone de aceleradores y colisionadores portátiles de protones que alcancen la energía suficiente.

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