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Ciencia

Rayos cósmicos para radiografiar volcanes

Imagen renderizada del telescopio Mute en las faldas del cerro Machín.

Imagen renderizada del telescopio Mute en las faldas del cerro Machín.

Foto:UIS

La UIS desarrolló el telescopio de muones MuTe, que aportaría a la prevención de desastres.

Nicolás Bustamante
Los rayos cósmicos son las partículas más energéticas que existen en todo el universo. Conformados por un amplio repertorio de componentes subatómicos, entre protones, núcleos de átomos, electrones y neutrinos, tienen su origen en los cataclismos más estremecedores del cosmos, como las explosiones de supernovas y las fusiones de estrellas de neutrones, entre otros.

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También conocidos como radiación cósmica, cuentan con tanta energía que son capaces de recorrer el espacio sideral entre las galaxias, viajando millones y millones de kilómetros a velocidades cercanas a la de la luz.
Al toparse con la Tierra, los rayos cósmicos se encuentran con el campo magnético del planeta, que actúa como un escudo protector que desvía estos proyectiles lejos del planeta. Sin embargo, una porción de la radiación cósmica logra superar la barrera magnética y penetra hasta la superficie convertida en otras partículas igualmente sorprendentes: neutrones (9 %), fotones, (15 %) y muones (72 %).
Y es precisamente gracias al estudio de los muones como la Universidad Industrial de Santander (UIS) está llevando a cabo un proyecto científico, pionero en Colombia, con el que buscan ampliar no solo las fronteras del conocimiento básico, sino salvar vidas humanas a partir de la prevención de desastres.
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El proyecto se enmarca en una disciplina muy novedosa, la muongrafía volcánica, y consiste, en términos simples, en estudiar el interior de los volcanes del país a partir de la cantidad de muones que entran a la atmósfera y los atraviesan. Esto será posible gracias a una herramienta única en el país y que fue el producto de un desarrollo totalmente propio de la UIS: el telescopio de muones (MuTe).

Los muones son muy abundantes, pues todo el tiempo están en la atmósfera, disponibles para que los detectemos

“Los muones son primos de los electrones, pues, al igual que estos, tienen carga negativa, pero una masa 200 veces más grande, por lo que no son fácilmente repelidos por el campo magnético de la Tierra. Son muy abundantes, pues todo el tiempo están en la atmósfera, disponibles para que los detectemos”, asegura Luis Núñez, del Grupo de Investigaciones en Relatividad y Gravitación de la UIS y coautor de la investigación.
Núñez añade que, gracias a su alta energía, los muones tienen la capacidad de atravesar la materia –hasta un kilómetro de la corteza terrestre–, pero se van debilitando y frenando a medida que ‘perforan’ el planeta.
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“Con esto en mente, planteamos un proyecto para contar la cantidad de muones que llegan a un volcán, para luego determinar cuántos de ellos logran atravesarlo. Así podríamos construir un detallado mapa del interior de los volcanes, como radiografiándolos con rayos cósmicos, y saber, por ejemplo, cuáles serían las chimeneas por las cuales saldría expulsada la lava en caso de una erupción”, afirma el académico.

Una herramienta única

En el año 2016, los investigadores de la UIS, liderados por Núñez y por el profesor José David Sanabria, se dieron a la tarea de construir el MuTe, acrónimo que recuerda uno de los platos típicos de la gastronomía santandereana. Una docena de científicos, entre profesores y estudiantes de pregrado, maestría, doctorado y posdoctorantes, participaron en la construcción de MuTe.
“Lo fabricamos desde su estructura metálica hasta sus componentes electrónicos más sofisticados”, dice Núñez.
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Y continúa: “Diseñamos un telescopio de tipo híbrido, es decir que cuenta con dos sistemas detectores de luz generada por el paso de las partículas: dos paneles de fotocentelladores plásticos y un detector Cherenkov de agua se enfrentan a los penetrantes muones, desentrañando su trayectoria y energía. Mientras los paneles hacen la muongrafía del volcán, identificando las trayectorias de los muones, una compleja red electrónica calcula la diferencia de tiempo en el impacto de cada muon en los dos paneles”.
El detector Cherenkov de agua es, con seguridad, el más llamativo: está conformado por un tanque de agua de una tonelada de capacidad en cuyo interior ocurre una reacción electromagnética caracterizada por un espectacular brillo azul propio de los reactores nucleares: “Esa tonelada de agua nos sirve para saber si las señales que detectamos son realmente muones y si verdaderamente vienen del volcán”, asevera Núñez.
Para hacer sus análisis, el telescopio apunta hacia el volcán desde sus faldas. Gracias a modelos matemáticos conocidos, los científicos pueden predecir cuántos muones debería haber en un lugar geográfico sin que haya obstáculos naturales o humanos que se interpongan en su camino. Así saben cuántos muones deberían llegar al MuTe sin obstáculos, cuántos lo atraviesan y cuántos son detectados. El telescopio identifica el sentido, la dirección y la energía de cada partícula.

Un volcán a la vez

En el caso del MuTe, los modelos matemáticos están pensados para ponerlo a prueba, inicialmente, en el volcán Machín (Tolima), escogido por los investigadores después de hacer indagaciones preliminares en los doce volcanes más activos que tiene Colombia.
Uno de los criterios más importantes a la hora de seleccionar el volcán es que su cono estuviera, por decirlo así, lo más despejado posible, o que no tuviera otras montañas cerca que pudieran tener un efecto de escudo sobre los muones.
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Otra razón para descartar otros volcanes es su dimensión, pues esta técnica es útil para estructuras geológicas con dimensiones cercanas al kilómetro. La idea es que en pocos meses de observación se pueda obtener una imagen razonable.
“Seleccionamos al Machín porque es un volcán muy peligroso que está activo, o sea que hizo erupción en los últimos 10 millones de años. Tiene un domo de 200 metros de alto con un radio de un kilómetro, y buscamos los puntos de ese cono en los que no quedaran montañas detrás que hicieran pantalla de los muñones”, indica Sanabria.
Aunque por falta de recursos la UIS no ha podido transportar el telescopio hasta el Machín, esperan hacerlo en los próximos meses. Mientras tanto, en las condiciones adversas de la pandemia, han adelantado varias pruebas satisfactorias desde el campus de la universidad y pueden confirmar que, en efecto, MuTe funciona.
NICOLÁS BUSTAMANTE HERNÁNDEZ
Redactor de Ciencia
@ScienceNico
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