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Jul 03, 2023

Terra, vento e água: como os múons cósmicos estão ajudando a estudar vulcões, ciclones e muito mais

Michael Allen examina as profundezas dos desastres naturais enquanto fala com os físicos que estão usando a tomografia de múons para obter uma melhor compreensão dos vulcões e dos ciclones tropicais.

Michael Allenperscruta as profundezas dos desastres naturais, enquanto fala com os físicos que estão usando a tomografia de múons para obter uma melhor compreensão dos vulcões e dos ciclones tropicais

Cientistas e engenheiros estão sempre a tentar construir melhores sistemas de alerta precoce para mitigar os danos à vida e à propriedade causados ​​por desastres naturais, como os vulcões. Uma técnica à qual os investigadores recorrem cada vez mais é, em muitos aspectos, enviada pelos céus. Envolve a utilização de múons: partículas subatômicas produzidas quando raios cósmicos – principalmente prótons de alta energia originados de eventos como supernovas – colidem com átomos a 15–20 quilômetros de altura em nossa atmosfera.

Sabemos que a atmosfera da Terra é constantemente atingida por estes raios cósmicos primários, com as colisões produzindo uma chuva de partículas secundárias, incluindo electrões, piões, neutrinos e muões. Na verdade, cerca de 10.000 múons desses raios cósmicos secundários caem sobre cada metro quadrado da superfície da Terra a cada minuto. Essas partículas têm todas as mesmas propriedades dos elétrons, mas cerca de 200 vezes a massa, o que significa que podem viajar muito mais longe através de estruturas sólidas do que os elétrons.

Mas o que torna os múons interessantes como sonda é que as interações entre os múons e os materiais pelos quais eles passam afetam seu fluxo, com objetos mais densos desviando e absorvendo mais múons do que estruturas menos densas. É esta diferença de fluxo que está a ser utilizada para obter imagens da estrutura interna dos vulcões numa técnica conhecida como “muografia”. O termo foi cunhado em 2007 por Hiroyuki Tanaka da Universidade de Tóquio e seus colegas, que forneceram a primeira demonstração de que vazios e cavidades dentro do vulcão poderiam ser detectados com a técnica (Earth Planet. Sci. Lett.2631–2).

Também conhecida como tomografia de múons, ela usa detectores para produzir um mapa de densidade reversa do objeto pelo qual os múons passaram. Os pontos onde mais múons atingem os sensores representam áreas menos densas da estrutura, enquanto menos múons destacam partes mais densas. Tanaka e seus colegas até tentaram prever erupções vulcânicas usando muografia combinada com uma rede neural convolucional de aprendizagem profunda de IA. Em 2020, utilizaram esta técnica para estudar um dos vulcões mais ativos do mundo – o vulcão Sakurajima, no sul do Japão (ver acima), que entrou em erupção 7.000 vezes na última década (Sci. Rep.105272).

A muografia é muito semelhante à radiografia, segundo Jacques Marteau, físico de partículas do Instituto de Física dos 2 Infinitos (IP2I) em Lyon, França. “Ele substitui os raios X das imagens médicas por outra partícula, nomeadamente o múon”, diz ele. “A muografia é basicamente um processo de imagem que varre a densidade de um objeto exatamente da mesma maneira que a imagem de raios X.”

Muografia é um processo de imagem que varre a densidade de um objeto exatamente da mesma maneira que a imagem de raios X.

Vários dispositivos diferentes podem ser usados ​​para detectar múons, a maioria dos quais foram desenvolvidos como parte de experimentos de física de partículas, como no Large Hadron Collider do CERN. No entanto, quando se trata de imagens de vulcões, os detectores mais comumente usados ​​consistem em camadas de cintiladores. À medida que os múons passam pelo detector, cada camada produz um flash de luz que, em conjunto, pode ser usado para reconstruir a trajetória de entrada das partículas. Os detectores são colocados nas encostas mais baixas do vulcão e são angulados para detectar os múons que passam por ele.

Mas a muografia não tem sido usada apenas para criar imagens da estrutura interna dos vulcões. Os pesquisadores também usaram a técnica para detectar mudanças na densidade dentro de vulcões ligados ao aumento do magma, bem como mudanças na forma do magma, na atividade hidrotérmica e na pressão nas cavidades e condutos.

Giovanni Macedonio, diretor de pesquisa do Instituto Nacional de Geofísica e Vulcanologia de Roma, Itália, explica que existem três técnicas principais para estudar e monitorar vulcões. Uma delas é usar dados sísmicos. Outra é medir as deformações do solo com satélites, enquanto uma terceira envolve a análise da geoquímica dos fluidos do vulcão.