Sono stati costruiti e testati due rivelatori portatili di muoni presso il British Cave Science Centre.
Ciascun rivelatore contiene uno scintillatore plastico strutturato con un fotomoltiplicatore al silicio e una scheda a circuito stampato insieme a un microcontrollore.
I conteggi dei muoni sono stati ottenuti per ventiquattro ore presso quattro punti di monitoraggio in diverse parti della grotta:
– 2134 eventi di muoni sono stati rilevati nella Roman Chamber
– 749 eventi di muoni sono stati rilevati nella Main Chamber
– 567 eventi di muoni sono stati rilevati vicino alla base del boulder choke
– 1879 eventi di muoni sono stati rilevati nella prima camera sopra il boulder choke
La costruzione e il test di questi rivelatori sembrano rappresentare un obiettivo realistico per molti studenti universitari e appassionati entusiasti, mentre la forte correlazione tra i conteggi dei muoni e la profondità sotto la superficie suggerisce che questi rivelatori potrebbero essere utilizzati per approssimare la profondità della grotta quando altre tecniche di rilevamento non possono essere applicate.
Gli autori dello studio sono Matt ROWBERRY del Dipartimento di Geologia Ingegneristica, Istituto di Struttura e Meccanica delle Rocce, Accademia delle Scienze della Repubblica Ceca e Tomáš TR?KA e Vladimír MIKLUŠ del Dipartimento di Fisica, Facoltà di Ingegneria Elettrica e Comunicazione, Università Tecnica di Brno, Technická
Ogni metro quadrato della superficie terrestre è bombardato da migliaia di muoni ogni minuto e questi sono in grado di penetrare per molte centinaia di metri nella roccia.
I ricercatori hanno costruito due rivelatori di muoni CosmicWatch che sono stati testati nel British Cave Science Centre.
I rivelatori, del costo di qualche centinaio di euro e del peso di circa 200 grammi, sono costituiti da una lastra di scintillatore plastico con un fotomoltiplicatore al silicio, e da un microcontrollore che registra gli eventi.
Secondo i ricercatori, gli appassionati di elettronica sono in grado di costruire e sviluppare questo progetto che è open source e deve essere realizzato con due rivelatori di muoni.
I test degli strumenti sono stati eseguiti per ventiquattro ore in diverse parti di una grotta turistica in Inghilterra, sede del British Cave Science Centre.
Come previsto, le misurazioni fatte con il conteggio dei muoni sono risultate compatibili con la profondità già conosciuta della cavità.
I conteggi di muoni potrebbero essere utilizzati per approssimare la profondità di una cavità sotto la superficie in situazioni in cui altre tecniche di rilevamento non possono essere applicate, come è già stato sperimentato in alcuni casi in campo archeologico con strumentazione molto più pesante e costosa.
Sebbene la costruzione e l’uso di questi rivelatori portatili rappresentino un obiettivo realistico, nel corso del test sono stati evidenziati alcuni potenziali rischi e difficoltà, come la fragilità dello strumento e la difficoltà di reperire in tempi brevi i componenti necessari per la costruzione.
A scanso di equivoci, questi strumenti autocostruiti non sono in grado di eseguire scansioni in profondità e non possono rilevare la presenza o meno di vuoti sconosciuti.
Cosa sono i muoni
Innumerevoli raggi cosmici attraversano lo spazio ad una velocità prossima alla velocità della luce.
Sono emessi dal sole o sono il risultato delle esplosioni di supernove in galassie lontane.
La Terra è sotto costante bombardamento da questi raggi cosmici.
Alcuni vengono deviati dalla magnetosfera terrestre, mentre altri raggiungono la superficie terrestre.
Quelli che penetrano nell’atmosfera subiscono una serie di reazioni, creando una miriade di nuove particelle subatomiche.
La maggior parte di queste nuove particelle subatomiche non raggiunge mai il suolo, ma la stragrande maggioranza di quelle che passano, sono muoni.
In effetti, migliaia di muoni bombardano ogni minuto ogni metro quadrato della superficie terrestre.
In parte a causa della loro massa, che è approssimativamente 200 volte maggiore di quella di un elettrone, queste particelle fondamentali sono in grado di penetrare molte centinaia di metri di roccia, nonostante abbiano una vita media di soli 2,2 ?s.
Ad esempio, sono stati registrati muoni a 700 metri sotto la superficie terrestre nel rivelatore di particelle ‘Soudan 2’ nel Minnesota settentrionale.
Tecniche di imaging muoniche
Dagli anni ’50, questa capacità di penetrare nella roccia è stata sfruttata per sviluppare una serie di tecniche di imaging dei muoni, basate sia sulla loro assorbimento che sulla loro dispersione.
L’imaging dei muoni tende a richiedere tempi di esposizione prolungati e attira maggiormente l’attenzione quando viene utilizzato in archeologia (ad esempio Morishima et al., 2017; Procureur et al., 2023) e vulcanologia (ad esempio Olah et al., 2019; Tioukov et al., 2019).
Tuttavia, viene sempre più utilizzato nella ricerca di cavità nascoste (ad esempio Cimmino et al., 2019; Borselli et al., 2022) e per identificare pozzi di costruzione nascosti come quelli situati sopra l’Alfreton Old Tunnel nel Derbyshire (ad esempio Thompson et al., 2020).
È chiaro che l’immagine dei muoni potrebbe svolgere un ruolo importante nella speleologia, ma finora solo un modesto progresso è stato fatto nello sviluppo di strumenti adatti all’esplorazione dei sistemi di grotte (ad esempio Barnaföldi et al., 2012; Olah et al., 2012).
Purtroppo, gli strumenti attualmente utilizzati per l’imaging dei muoni pesano tipicamente diverse tonnellate e costano centinaia di migliaia di sterline.
Tuttavia, la rilevazione dei muoni è un’impresa sorprendentemente economica e semplice.
I rivelatori di muoni portatili
Una recente collaborazione tra il Massachusetts Institute of Technology e il National Center for Nuclear Research in Polonia ha portato allo sviluppo di rivelatori di muoni portatili.
Questi cosiddetti rivelatori CosmicWatch integrano hardware open source con software open source al fine di aderire agli obiettivi e alla filosofia del movimento open-design.
Il rivelatore è stato progettato in modo sufficientemente semplice da poter essere costruito da studenti universitari e la maggior parte dei componenti può essere acquistata presso i principali rivenditori.
Ciò dovrebbe consentire agli studenti di acquisire importanti esperienze pratiche, ad esempio, nella saldatura hardware, nella programmazione del software, nella progettazione di esperimenti e nell’analisi dei dati.
In questo caso, sono stati costruiti due rivelatori per test nel British Cave Science Centre.
Gli obiettivi di questo rapporto erano, in primo luogo, di valutare, sulla base dell’ esperienza diretta, se la costruzione di questi rivelatori rappresenta davvero un compito realistico per gli studenti universitari e, in secondo luogo, determinare se tali rivelatori potrebbero svolgere un ruolo nella ricerca di grotte.
Sito di studio
La Poole’s Cavern dove sono stati eseguiti i test è una grotta turistica che si apre nei pressi di Buxton del Derbyshire.
Risulta da una speleogenesi epigenica nel Miller’s Dale Limestone Member, all’interno della Bee Low Limestone Formation del Peak Limestone Group, e si sviluppa per un totale di circa 240 metri.
Il percorso turistico si snoda sotto la superficie terrestre ad una profondità compresa tra i 12 e i 36 metri di profondità.
In ogni punto, il pavimento della grotta e la superficie terrestre non è mai inferiore a dieci metri, nonostante il soffitto sia penetrato dalle radici.
Il British Cave Science Centre e le misurazioni nella Poole’s Cavern
Il British Cave Science Centre è stato inaugurato nel 2018 presso la Poole’s Cavern.
Da allora, dentro e intorno al sito vengono campionate una serie di variabili climatiche essenziali e concentrazioni di gas naturale, grazie a una serie di strumenti e una rete di data logger Tinytag Connect.
I ricercatori hanno l’opportunità di estendere queste misurazioni di base utilizzando i propri sensori o conducendo i propri programmi di campionamento all’interno della grotta.
Ad esempio, è stato possibile testare un prototipo completamente nuovo per il monitoraggio dello spostamento delle fratture e sono stati effettuati studi su comunità microbiche distinte in diverse parti della grotta.
Questa grotta quindi rappresenta un sito ideale per testare i rivelatori di muoni portatili a causa delle differenze di elevazione sopra citate, oltre a pratici fattori come la facilità di accesso e una fornitura di energia elettrica principale.
Il funzionamento tecnico dei rivelatori di muoni
Ogni rivelatore contiene una lastra estrusa di scintillatore plastico – un materiale luminescente che assorbe l’energia delle particelle subatomiche in arrivo e quindi riemette parte di questa energia sotto forma di fotoni – strumentato con un fotomoltiplicatore al silicio – un tipo di dispositivo sensibile alla luce.
I fotoni incidenti sulla superficie fotosensibile del fotomoltiplicatore al silicio, inducono una scarica Geiger nelle sue microcelle, creando una corrente misurabile.
Questa corrente viene inviata ad una circuito elettrico che amplifica e modella il segnale in modo che un microcontrollore possa misurare la tensione di picco e assegnare un timestamp all’evento.
Il microcontrollore registra quindi i dati dell’evento su una scheda microSD o li invia direttamente a un computer attraverso una porta USB.
Il peso totale di un rivelatore, incluso l’involucro di alluminio, è di 178 g. Le sue dimensioni esterne sono di 66,4 mm x 101,6 mm x 39,9 mm, mentre lo scintillatore plastico all’interno del rivelatore ha dimensioni di 50 mm x 50 mm x 10 mm.
Due rivelatori devono essere posizionati uno sopra l’altro e devono essere collegati utilizzando un cavo audio.
Lo strumento superiore funge da rivelatore principale, mentre lo strumento inferiore funge da rivelatore subordinato 1.
L’alimentazione è fornita dal rivelatore principale al rivelatore subordinato tramite il cavo audio, mentre i dati vengono salvati su una scheda di memoria nel rivelatore subordinato.
Questa configurazione è chiamata modalità di coincidenza: il rivelatore principale attiva tutti gli eventi che creano un impulso più grande di una soglia definita dal software.
Il rivelatore subordinato registrerà solo gli eventi che attivano contemporaneamente sia il rivelatore principale che quello subordinato.
Per ogni evento, il rivelatore subordinato registra un numero di evento e l’orario dell’evento, il valore medio misurato del convertitore analogico-digitale, la tensione di picco calcolata del fotomoltiplicatore al silicio e il tempo totale morto, che deve essere sottratto per eventuali misurazioni di frequenza.
L’utilizzo dei rivelatori in modalità di coincidenza aumenta notevolmente la purezza del segnale di muone.
I muoni di solito non vengono deviati mentre attraversano lo scintillatore plastico e, quindi, assumendo una traiettoria che si discosta dalla verticale di meno di circa 45°, è probabile che attivino contemporaneamente sia il rivelatore principale che quello subordinato.
Vengono così escluse dal conteggio potenziali particelle che penetrano nella roccia: la radiazione alfa non può attivare nessun rivelatore in quanto non può penetrare nei loro involucri di alluminio; la radiazione beta può attivare un rivelatore, ma non entrambi contemporaneamente a causa dell’attenuazione e della diffusione; la radiazione gamma può – almeno teoricamente – attivare entrambi i rivelatori contemporaneamente, ma il processo è improbabile e rappresenterà solo una piccola proporzione del segnale registrato.
Al contrario, un muone tipico deposita più di 2 MeV di energia mentre attraversa lo scintillatore plastico senza essere deviato.
Progettazione sperimentale
I conteggi dei muoni sono stati ottenuti da quattro punti di monitoraggio.
L’elevazione precisa di ciascun sito è stata determinata utilizzando una nuvola di punti LiDAR della grotta prodotta da Geoterra nel 2019, mentre le loro profondità sotto la superficie terrestre sono state determinate utilizzando un modello digitale del terreno LiDAR da 1 metro con timestamp prodotto dall’Agenzia per l’Ambiente nel 2019.
Il primo punto di monitoraggio era situato nella Roman Chamber.
Il secondo punto di monitoraggio era situato nella Main Chamber.
Il terzo punto di monitoraggio era situato su una piccola piattaforma vicino alla base del boulder choke.
Il quarto punto di monitoraggio era situato nella prima delle due camere sopra il boulder choke.
È stato possibile utilizzare l’elettricità della rete elettrica nei primi tre punti di monitoraggio e powerbank nel quarto punto di monitoraggio.
I dati sono stati registrati per ventiquattro ore presso ciascun punto di monitoraggio il lunedì 9 ottobre 2023 e il venerdì 13 ottobre 2023.
Risultati
In totale, sono stati rilevati 2134 muoni nella Roman Chamber,
749 muoni nella Main Chamber, 567 muoni vicino alla base del boulder choke, 1879 muoni nella prima camera sopra il boulder choke con varie tensioni di picco misurate.
La modellazione di questi dati è sfidante a causa della disposizione irregolare degli eventi dei muoni e dell’assenza completa di dipendenza temporale nei conteggi.
Tuttavia, sulla base di una semplice regressione lineare, si può vedere che i conteggi dei muoni correlano fortemente con la profondità sotto la superficie, moderatamente con l’elevazione della superficie terrestre, e debolmente con l’elevazione del punto di monitoraggio, mentre le tensioni di picco più alte correlano fortemente con la profondità sotto la superficie, moderatamente con l’elevazione della superficie terrestre, e non sono correlate con l’elevazione del punto di monitoraggio.
Analisi dei risultati
Nel 2017, al lancio del Cosmic Watch Project, si sosteneva che la costruzione e il test di questi rivelatori rappresentassero un obiettivo realistico per gli studenti universitari e che i componenti potessero essere acquistati per circa 100 Sterline.
Ora è possibile valutare queste affermazioni sulla base dell’ esperienza diretta.
Per varie ragioni, tra cui la carenza globale di chip e aliquote fiscali più elevate in Europa rispetto agli Stati Uniti, è probabile che i componenti costino tra due e tre volte la stima originale.
Inoltre, a causa della carenza globale di chip, alcuni componenti sono difficili da reperire e i loro tempi di consegna possono essere di molti mesi.
Il componente più costoso – il fotomoltiplicatore al silicio – è il più facile da danneggiare e spesso ha i tempi di consegna più lunghi. Ritardi imprevisti possono avere un grande impatto sui progetti.
Va sottolineato che un singolo rivelatore registra non solo eventi di muoni, ma anche radiazione beta e gamma, quindi è necessario costruire almeno due rivelatori che operino in modalità di coincidenza per eliminare gli eventi causati dalla radiazione di fondo.
Di conseguenza è necessario costruire almeno due rivelatori, con aumenti corrispondenti in termini di costo e tempo.
Inoltre, rivelatori apparentemente identici possono avere sensibilità diverse e non è sempre facile stabilirne uno come rivelatore principale e uno come rivelatore subordinato per impostare la modalità di coincidenza.
Per quanto riguarda la fornitura di energia elettrica, è importante notare che il microcontrollore all’interno del rivelatore consuma molto poco energia e possono esserci lunghi periodi tra gli eventi di muoni, mentre la maggior parte dei powerbank si spegne dopo un periodo predefinito – di solito trenta secondi – se non viene assorbita abbastanza energia.
Possono essere utilizzati vari accorgimenti per aggirare questo problema, ma forse il più semplice è trovare un powerbank che non abbia una funzione di spegnimento automatico.
Per utilizzare i rivelatori di muoni per misurare la profondità di una grotta, è necessario stabilire un gradiente di profondità dei muoni più preciso sulla base di ulteriori dati sperimentali.
Il British Cave Science Centre potrebbe essere il sito ideale per tentare questo approccio, poiché le elevazioni all’interno della grotta sono ben definite dai dati a nuvola di punti LiDAR, mentre le elevazioni della superficie terrestre sovrastante sono ben definite dal modello digitale del terreno LiDAR pubblicamente disponibile.
Poiché i conteggi a breve termine dei muoni tendono ad essere sia spazialmente che temporalmente omogenei, un gradiente di profondità dei muoni accurato dovrebbe essere applicabile a qualsiasi sistema di grotte sviluppato in simili calcari.
Naturalmente, se possibile, la ricerca sulle grotte beneficerebbe notevolmente dall’applicazione di tecniche di imaging dei muoni più sofisticate.
Anche in questo caso, il British Cave Science Centre potrebbe dimostrarsi un ottimo sito di studio, poiché diverse cavità nascoste sono già state identificate nelle sue vicinanze sulla base di rilevamenti radar penetranti nel terreno e indagini di perforazione.
Sono stati costruiti e testati due rivelatori portatili di muoni presso il British Cave Science Centre. Ciascun rivelatore contiene uno scintillatore plastico strutturato con un fotomoltiplicatore al silicio e una scheda a circuito stampato insieme a un microcontrollore. I conteggi dei muoni sono stati ottenuti per ventiquattro ore presso quattro punti di monitoraggio in diverse parti della grotta:
– 2134 eventi di muoni sono stati rilevati nella Roman Chamber
– 749 eventi di muoni sono stati rilevati nella Main Chamber
– 567 eventi di muoni sono stati rilevati vicino alla base del boulder choke
– 1879 eventi di muoni sono stati rilevati nella prima camera sopra il boulder choke
La costruzione e il test di questi rivelatori sembrano rappresentare un obiettivo realistico per molti studenti universitari e appassionati entusiasti, mentre la forte correlazione tra i conteggi dei muoni e la profondità sotto la superficie suggerisce che questi rivelatori potrebbero essere utilizzati per approssimare la profondità della grotta quando altre tecniche di rilevamento non possono essere applicate.
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