En el Instituto de Física (IF) de la UNAM un equipo de científicos desarrolla un detector de muones, con la meta de hacer una “radiografía” del volcán Popocatépetl y emplear una técnica complementaria para monitorear cualquier cambio en la actividad del coloso.

A escala mundial, “Don Goyo” es uno de los volcanes que amenaza a la mayor cantidad de personas; una erupción afectaría a los millones de habitantes de los estados de México, Puebla, Morelos, Tlaxcala y, por supuesto, la Ciudad de México, como señalan los registros de grandes erupciones en el pasado. De ahí la importancia de vigilarlo de manera integral y de forma permanente.

Para ello pueden ser útiles los rayos cósmicos que llegan a nuestro planeta desde el Universo, compuestos en un 90 por ciento por núcleos de hidrógeno (protones). Este tipo de radiación posee una energía tal que al “bombardear” la atmósfera terrestre se producen otras partículas. Inicialmente se trata de los llamados piones, de cuyo rápido decaimiento resultan los muones.  Estos últimos son partículas penetrantes que constituyen la radiación de origen cósmico, cargada eléctricamente, más abundante, que incide sobre la superficie terrestre.

Arturo Menchaca Rocha, investigador y exdirector del IF, informó lo anterior en entrevista y detalló que la imagenología con rayos cósmicos es como una radiografía. Como sabemos, en estas últimas se emplean los rayos X. En este caso, el principio de funcionamiento es que la parte más densa de nuestro cuerpo absorbe más radiación, de manera que en la radiografía aparecen zonas más “blancas”, menos veladas, que corresponden a los huesos; “aquí es más o menos lo mismo, porque los muones se atenúan como función de la densidad de la materia que atraviesan”.

Esta técnica, empleada desde hace décadas para medir la densidad de objetos, es la misma que se usó para estudiar la pirámide del Sol, en Teotihuacan; la aplicación difiere porque los volcanes son enormes, y son dinámicos por estar activos, de manera que su interior cambia con el tiempo, por lo que se requieren detectores más grandes. “Lo que se necesita entonces es un monitor, un aparato sensible a los cambios”.

El universitario reconoció que la Vulcanología es una ciencia avanzada; permanentemente los expertos miden, por ejemplo, la sismicidad y la deformación del edificio volcánico. Sin embargo, hay un parámetro difícil de determinar: la llamada chimenea volcánica, es decir, el conducto por donde asciende el magma y el “humo” hasta llegar al cráter, y que en muchos volcanes consiste en un complejo sistema de fisuras.

Hasta ahora, en México se han empleado otras técnicas de medición como la resistividad eléctrica para determinar las medidas de la chimenea. No obstante, alcanzan resoluciones menores, del orden de 100 metros. En contraste, los rayos cósmicos permiten una resolución de 20 metros, es decir, son más “sensibles” para determinar los cambios al interior del volcán.

El objetivo del equipo -que también lideran Jaime Urrutia Fucugauchi, investigador y exdirector del Instituto de Geofísica e integrante de la Junta de Gobierno de la UNAM, y Varlen Grabski, del IF-, es agregar información nueva, como las dimensiones y la estructura de la chimenea, así como monitorear posibles cambios en el domo y en el sistema de conductos magmáticos. “Proponemos un prototipo del detector, incluyendo su sistema de procesamiento de datos (adquisición, transferencia, análisis, etcétera)”.

Los muones atraviesan más fácilmente la chimenea mientras está vacía, por lo cual si se comenzara a llenar habría un cambio que se podría detectar mediante este sistema.

El científico apuntó: debido a que los rayos cósmicos no son una fuente puntal de luz porque llegan como lluvia por todas partes, y no de manera uniforme, pues la atmósfera los absorbe, es necesario medir la trayectoria de cada muon para obtener una imagen de buena calidad.

El detector diseñado en la UNAM tiene tres planos con una superficie de 10 metros cuadrados cada uno; se conforman de 30 tubos rectangulares llenos de un líquido centellador. Cuando un muon atraviesa uno de ellos, en ese punto se produce una luz que es detectada, junto con su posición, por los sensores. Esa información se guarda en una computadora y luego de un tiempo se reconstruye la imagen del interior del volcán.

Los tubos que contienen al material centellador están hechos de aluminio por una cuestión práctica: además de tener la forma requerida, son comerciales, más baratos y fáciles de conseguir. Su única desventaja es que no son fáciles de soldar. Pero este diseño presenta la ventaja de que el centellador se puede renovar. “Cuando sea necesario, se pueden llevar bidones y cambiar el líquido centellador”. Sería ideal tener tres detectores para obtener una imagen tridimensional de la chimenea, para lo cual se necesitará conseguir más recursos; en la etapa inicial, uno será suficiente para demostrar que la técnica funciona”.

El detector tiene esa dimensión para captar la mayor cantidad de muones posible, del orden de decenas de miles en un lapso de tres meses. El problema es que en un volcán es tal la cantidad de materia, que la atenuación es muy grande, detalló el físico nuclear por la Universidad de Oxford.

El prototipo probablemente estaría colocado en la estación de monitoreo Tlamacas, a casi cuatro mil metros de altura sobre el nivel del mar, donde el IGF y el Centro Nacional de Prevención de Desastres ya tienen otros instrumentos; hay servicio de electricidad e internet y es la más cercana al cráter del volcán.

En relación con este proyecto de investigación, Imagenología interior de volcanes por atenuación de muones atmosféricos, se han presentado los avances en foros internacionales como la 36th International Cosmic Ray Conference, realizada en 2019 en Estados Unidos; pese al cierre de las instalaciones universitarias por la pandemia del coronavirus, se han formado recursos humanos de la carrera de Física.

El Castillo

Arturo Menchaca anunció que en colaboración con su exalumno Edmundo García Solís, actual profesor en Chicago State University, se construye otro detector similar para estudiar el interior del llamado Templo de Kukulkán, en la zona arqueológica de Chichen Itzá, Yucatán, para lo cual ya se cuenta con el permiso del Instituto Nacional de Antropología e Historia.

El proyecto Arqueometría no invasiva usando muones (NAUM, por sus siglas en inglés) explorará el “corazón” de la construcción maya también llamada El Castillo, ya que se estima que debajo de la pirámide que vemos y de otra más pequeña hallada en su interior, que dieron a conocer en 2016 investigadores universitarios, hay una aún más antigua, un tercer cuerpo que podría ser descubierto gracias a los rayos cósmicos.