Radiația miuonică aplicată în studii geologice

Liviu Niță · Universitatea din București, Facultatea de Fizică, Școala Doctorală de Fizică
Conducător științific: Prof. univ. dr. Alexandru Jipa · în colaborare cu IFIN-HH

Ce este muografia?

Pământul este bombardat continuu de radiația cosmică: protoni și nuclee accelerate la energii uriașe, care la intrarea în atmosferă declanșează cascade de miliarde de particule secundare — așa-numitele jerbe atmosferice extinse. Dintre toate aceste particule, miuonii sunt componenta cea mai penetrantă: ajung la sol (circa un miuon pe centimetru pătrat în fiecare minut) și pătrund sute de metri în rocă.

Exact această putere de pătrundere îi face o sondă geologică ideală: fluxul de miuoni este atenuat proporțional cu cantitatea de materie străbătută. Măsurând din subteran câți miuoni sosesc din fiecare direcție, putem deduce ce se află deasupra și în jurul detectorului — rocă densă, sare sau… cavități necunoscute. Metoda, numită muografie, este nedistructivă, discretă și folosește o sursă de radiație complet gratuită: cosmosul.

Detectorul: trei plane scintilatoare și fotodiode MPPC

Detectorul folosit este alcătuit din trei plane de detecție, fiecare format din două straturi de scintilatori plastici așezați perpendicular (axele x și y), cu câte 24 de ghiduri de undă pe strat. Lumina de scintilație produsă la trecerea unui miuon este condusă prin fibre optice către fotodiode MPPC (Multi-Pixel Photon Counter) — fotomultiplicatori cu siliciu alimentați la doar ~70 V, cu rezoluție temporală excelentă. Celula elementară de detecție are 4 × 4 cm.

Când un miuon străbate toate cele trei plane, sistemul înregistrează o coincidență: trei puncte (x, y, z) care determină complet direcția traiectoriei. Din milioanele de coincidențe acumulate se reconstruiește harta direcțională a fluxului — și, implicit, distribuția materiei din jur.

Aplicația software: de la biți la hărți direcționale

Datele brute ies din placa de achiziție ca un flux text: un timp de referință (precizie de o miime de secundă) și starea 0/1 a fiecărei celule din cele șase straturi. Pentru prelucrarea lor am construit o aplicație dedicată care:

• importă fișierele generate de detector și separă coordonatele (x, y) pe fiecare plan;
• extrage coincidențele aplicând condiția de coliniaritate a trei puncte în spațiu, cu incertitudinea de măsurare calibrabilă (±0,04 m / ±0,08 m / ±0,12 m — cuantificată de dimensiunea celulei);
• calculează pentru fiecare traiectorie vectorul director și unghiurile sferice θ și φ;
• încarcă automat rezultatele într-o bază de date online, unde pot fi consultate de la distanță, cu user și parolă, sub formă de tabele și grafice în timp real.

Calibrarea pe setul de la Slănic (1,66 milioane de evenimente în 21,5 ore) a arătat că pentru geometria folosită incertitudinea optimă este ±0,04 m — egală cu latura celulei de detecție: la această valoare algoritmul extrage 7.392.577 de coincidențe, iar hărțile direcționale rămân curate, fără coincidențe false.

Măsurători în două saline românești

Mina „Unirea”, Slănic Prahova (laboratorul subteran IFIN-HH)

Laboratorul µBq, inaugurat în 2006 de IFIN-HH împreună cu Facultatea de Fizică și SALROM, se află la 208 m adâncime, într-o mină cu 14 camere înalte de ~55 m — un mediu cu fond de radiații foarte scăzut, ideal pentru măsurători de precizie. Aici s-a calibrat întregul lanț: geometrie, incertitudini, rutine de extragere. Rezultatul: două direcții privilegiate clare de maxim și minim ale fluxului, explicate de cantitatea diferită de rocă aflată în calea miuonilor.

Salina Praid: căutarea cavităților ascunse

În noiembrie 2017 detectorul a fost mutat în Salina Praid (Harghita), la orizontul +426 m — deasupra punctului de detecție se ridică „Dealul de Sare”, care adaugă ~150 m de materie. În ~19 ore s-au acumulat 260.540 de coincidențe. Pentru geometria de aici, calibrarea a indicat incertitudinea optimă de ±0,08 m, confirmată prin comparație cu varianta ±0,04 m. Hărțile direcționale obținute au permis studiul posibilității existenței unei grote nedetectate în versantul salin — exact tipul de întrebare la care muografia poate răspunde fără niciun foraj.

Concluzii și direcții de viitor

Teza demonstrează un lanț complet și funcțional: detector → achiziție → algoritm de coincidențe → bază de date online → vizualizare în timp real. Concluziile principale:

• metoda evidențiază cu acuratețe direcțiile privilegiate ale fluxului miuonic, corelate cu distribuția materiei;
• calibrarea incertitudinii de măsurare pe mai multe valori permite transferul metodei pe orice geometrie de detector;
• rezultatele pot fi extrase în timp real și de la distanță — aplicația se pretează la monitorizare continuă.

Pasul natural următor: o rețea de detectori sincronizați, montați în puncte diferite, care trimit permanent datele către o bază de date centrală. Aplicațiile depășesc geologia: scanarea nedistructivă a camioanelor și containerelor în puncte vamale și porturi (proiectul NEMO), monitorizarea barajelor hidrotehnice, explorarea siturilor arheologice, cartografierea peșterilor și minelor.