Republicado con la amable autorización del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Haga clic aquí Para leer el artículo original.
Por Carl A. Williams
El Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE), Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Laboratorio de Berkeley), en colaboración con Ideon Technologies, ha recibido financiación del Departamento de Energía Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía (ARPA-E) a través de la iniciativa ROCKS (Caracterización Confiable de Minerales con Sensores Clave). Este proyecto de tres años tiene como objetivo garantizar el suministro nacional de minerales críticos —materiales esenciales para la energía, la industria y la seguridad nacional— mediante la obtención de imágenes de las profundidades de la Tierra con una precisión que las técnicas de detección convencionales no pueden igualar.
El núcleo del proyecto lo constituyen los muones: partículas subatómicas naturales con un extraordinario poder de penetración. Durante años, Ideon Technologies, en colaboración con la industria minera, ha utilizado muones "pasivos" —producidos por la colisión de rayos cósmicos con partículas atmosféricas— para cartografiar depósitos minerales y comprender el subsuelo terrestre. Sin embargo, dado que estos muones provienen de arriba, la obtención de imágenes es limitada para los detectores ubicados debajo de un yacimiento mineral o una formación geológica de interés. Además, llegan en pequeñas cantidades —aproximadamente un muón por centímetro cuadrado por minuto—, por lo que la formación de una imagen puede requerir varios días, semanas o meses de exposición, dependiendo de la profundidad y la resolución de imagen necesarias.
El proyecto tiene como objetivo generar haces de muones de alto flujo que puedan dirigirse a posibles objetivos de imagen, incluidos los yacimientos minerales, para producir imágenes 3D de alta resolución que reduzcan los plazos actuales de descubrimiento y caracterización de minerales de meses a horas, acelerando así el proceso desde el descubrimiento hasta la explotación minera. Para crear dicha fuente, un acelerador de partículas de alta energía debe ser lo suficientemente compacto y portátil para su uso en campo.
“Los muones con energías de alrededor de 10 gigaelectronvoltios (GeV) son de gran interés porque pueden penetrar capas de roca, suelo y mineral de hasta 20 metros de espesor; los muones de mayor energía, en el rango de 30 GeV a 100 GeV, pueden penetrar desde 50 metros hasta más de 100 metros”, afirma Jeroen van Tilborg, científico sénior y subdirector de experimentos en el Centro BELLA de la División de Tecnología de Aceleradores y Física Aplicada (ATAP) del Laboratorio Berkeley, e investigador principal del proyecto.
Esta fuente de muones “activa” es posible gracias a los aceleradores de plasma láser desarrollados en BELLA, una instalación láser de vanguardia perteneciente a la División ATAP. Estos sistemas utilizan pulsos láser ultracortos e intensos para desplazar electrones en un plasma, creando una onda electrostática —conocida como estela de choque— que produce campos aceleradores con una intensidad mucho mayor que la que se puede lograr con aceleradores convencionales. Estas estelas de choque pueden acelerar haces de electrones a energías de varios GeV a distancias de centímetros. Los electrones se dirigen entonces hacia un blanco sólido, donde generan haces de muones con una intensidad entre tres y cuatro órdenes de magnitud superior al flujo natural, conservando al mismo tiempo la energía de los electrones incidentes.
“La producción de los haces de electrones de alta carga y alta energía necesarios para generar un haz de muones es precisamente donde los aceleradores láser-plasma compactos (LPA, por sus siglas en inglés) podrían destacar, gracias a sus gradientes de aceleración ultraaltos y su tamaño compacto”, afirma van Tilborg.
El Laboratorio Berkeley ya lo ha demostrado Aceleración en una sola etapa de un haz de electrones de 10 GeV a lo largo de 30 centímetros.Este proyecto ahora busca acoplar dos etapas LPA de aproximadamente 6 GeV para lograr una aceleración de más de 12 GeV. Lograr y minimizar los riesgos de esta prueba de concepto multietapa validará la ruta técnica hacia los sistemas de 30 GeV necesarios para penetrar 50 metros de roca y hacia los sistemas de 100 GeV capaces de detectar a través de 150 metros.
“Años de inversión en investigación de LPA en el Laboratorio Berkeley han dado como resultado las tecnologías que hacen posible este proyecto”, afirma Anthony Gonsalves, científico del ATAP que dirige el trabajo con aceleradores y es el responsable experimental del nuevo proyecto de muones. “Este proyecto representa una oportunidad apasionante para transformar décadas de investigación en aceleradores en tecnología que responda a una importante necesidad nacional, mediante el desarrollo de sistemas fiables para suministrar los muones de alta energía necesarios para la obtención de imágenes prácticas del subsuelo”.
La clave para lograr esta aceleración en dos etapas reside en acoplar las etapas con una lente de plasma activa que reenfoca el haz de electrones de alta energía al salir de una etapa y entrar en la siguiente, y con un espejo de plasma altamente reflectante que preserva las propiedades del láser, permitiéndole impulsar eficazmente el campo de estela de plasma en la siguiente etapa. En conjunto, estos componentes permiten que el haz de electrones pase de una etapa a otra, ganando energía en cada una, lo cual es esencial para producir los muones de gran penetración necesarios para la obtención de imágenes de minerales subsuperficiales de alta resolución en los objetivos geológicos más profundos.
El proyecto se basa en las fortalezas complementarias de sus tres socios. ATAP lidera el desarrollo del hardware, aplicando su experiencia en interacciones láser-plasma y simulaciones de partículas en celda de alta fidelidad para desarrollar una fuente de electrones de dos etapas y 12 GeV. Ideon Technologies es líder mundial en tomografía de muones y capacidades avanzadas de fusión de datos para la industria de exploración y minería de minerales, incluyendo matrices de detectores de muones patentadas, simulaciones físicas y software geológico. Este software transforma los datos brutos en visualizaciones de densidad de masa en 3D, lo que permite a los geólogos "ver" depósitos minerales y anomalías estructurales con una resolución de escala métrica. Con décadas de experiencia en detectores de colisionadores de partículas de alta energía, la División de Física del Laboratorio Berkeley proporcionará instrumentación de muones y diagnósticos de seguimiento de partículas para optimizar el haz de muones.
“El desafío de los minerales críticos exige métodos más rápidos y eficaces para comprender y desarrollar los recursos que la sociedad necesita con urgencia. Gracias a los resultados de este proyecto, la física, más avanzada que la de los aceleradores de partículas más grandes del mundo, permitirá ahora obtener imágenes de millones de pies cúbicos de roca en horas, no en meses”, afirma Douglas Schouten, director de tecnología de Ideon. “En colaboración con institutos de investigación líderes a nivel mundial, como el Laboratorio Berkeley, Ideon está llevando esta capacidad de vanguardia fuera del laboratorio y combinándola con sensores avanzados y el poder de penetración de las partículas subatómicas para generar un valor real para las industrias de las que depende la sociedad”.
Al combinar la experiencia del Laboratorio Berkeley en aceleradores avanzados con las capacidades comerciales y de detección cuántica avanzada de Ideon, el proyecto podría sentar las bases para una caracterización de recursos minerales más rápida, precisa y rentable, acelerando así el desarrollo de minerales críticos en Estados Unidos y fortaleciendo las cadenas de suministro para la energía, la industria y la seguridad nacional. El potencial de esta tecnología va más allá de la minería. Podría identificar cavidades, huecos y cuevas subterráneas, ofreciendo ventajas significativas para la ingeniería civil y la seguridad industrial, con implicaciones para la seguridad nacional y la infraestructura crítica.
“Al ser pioneros en el desarrollo de una fuente de muones portátil y de gran penetración, este proyecto garantiza que Estados Unidos mantenga su liderazgo en recursos minerales críticos vitales para la energía y la economía, aprovechando las tecnologías desarrolladas a través de la investigación y el desarrollo pioneros de aceleradores y detectores”, afirma Cameron Geddes, director de la División ATAP.