Muografia - uma nova ferramenta da geofísica

EM PT A muografia e? uma te?cnica de imagiologia que utiliza uma fonte de radiac?a?o natural e abundante: muo?es produzidos na atmosfera terrestre pela interac?a?o de raios co?smicos. Os muo?es podem atravessar grandes quantidades de mate?ria, o fluxo e? atenuado a escalas de kg/cm2, e podem ser usados para medir a densidade de grandes estruturas. O uso da muografia tem tido grandes desenvolvimentos nos u?ltimos anos. A nossa equipa junta especialistas em detectores de parti?culas e ana?lise de raios co?smicos do LIP e uma longa tradic?a?o de sondagem e ana?lise geofi?sica do ICT-E?vora. Com o apoio do Centro de Cie?ncia Viva do Lousal, que alberga os testes finais do nosso projeto. O objetivo e? estabelecer o uso de muografia, baseada em RPCs, nas sondagens geofi?sicas de subsuperfi?cie. Neste projecto explorato?rio fazemos o teste num cena?rio acessi?vel mas realista, que nos ajudara? na preparac?a?o do instrumento e me?todos para uso futuro. O projecto tem tre?s componentes fundamentais: 1 - o instrumento, que ja? existe mas sera? caracterizado e optimizado no laborato?rio; 2 - os me?todos de ana?lise, que esta?o a ser desenvolvidos conjuntamente por fi?sicos de parti?culas e geofi?sicos; 3 ? o cena?rio de teste, no Lousal, que sera? antes caracterizado por te?cnicas independentes para servir como refere?ncia a? primeira campanha de muografia de sub- superfi?cie da equipa. No fim do projeto explorato?rio, teremos um melhor conhecimento sobre a geologia do Lousal e experie?ncia directa do potencial da muografia para a geofi?sica de sub-superfi?cie. O instrumento e os me?todos ficara?o prontos para utilizac?a?o em futuras campanhas. O nosso instrumento, o muo?grafo, e? um telesco?pio de muo?es composto por quatro planos de Ca?maras de Placas Resistivas (RPCs) quadrados com um metro de lado, operando com um fluxo de ga?s reduzido e lidas por eletro?nica de baixa pote?ncia. Estes detectores foram desenvolvidos pela equipa do LIP para serem usados em grandes observato?rios de raios co?smicos, onde os detectores te?m de ser esta?veis e ter grande autonomia ? o que permite a sua aplicac?a?o na geofi?sica. O muo?grafo esta? em operac?a?o no laborato?rio de detectores do LIP, em Coimbra. Os dados ai? recolhidos sera?o usados para caracterizar e guiar melhoramento futuros do instrumento, e para optimizar a reconstruc?a?o e ana?lise das imagens. Testar a muografia num edifi?cio e? um primeiro passo antes da desafiante ida para o Lousal. Um ponto chave neste projeto e? a integrac?a?o das te?cnicas da fi?sica de parti?culas com as te?cnicas da geofi?sica. Por um lado, usaremos ferramentas da fi?sica de parti?culas para simular todos os detalhes da propagac?a?o de muo?es sobre um modelo detalhado da geologia e geofi?sica. Por outro, faremos a ana?lise geofi?sica num sistema que melhor tenha em conta a informac?a?o sobre as propriedades dos muo?es e dos detectores de parti?culas. No Lousal encontramos uma galeria subterra?nea com va?rias estruturas geolo?gicas interessantes para ana?lisar na escala de poucos metros. Localmente existem rochas sedimentares paleozo?icas e vulca?nicas e a falha regional de Corona. Construiremos um modelo detalhado, juntando informac?a?o geolo?gica e geofi?sica regional com informac?a?o local recolhida durante o projecto de forma independente da muografia. Este modelo sera? usado para preparar os nossos testes com diferentes cena?rios de observac?a?o. As primeiras muografias sera?o comparadas com o resultado esperado da simulac?a?o que inclui toda a informac?a?o existente sobre a densidade das estruturas geolo?gicas envolventes. A ana?lise geofi?sica integrara? apenas informac?a?o indirecta sobre densidade, obtendo o mapeamento tri-dimensional desta a partir dos dados da muografia. Tentaremos assim identificar, independentemente, as estruturas ja? conhecidas, como teste completo da muografia enquanto nova ferramenta da geofi?sica. Depois, tentaremos melhorar a precisa?o do mapeamento geolo?gico e geofi?sico de densidades no Lousal, numa primeira aplicac?a?o real. Estes resultados abrira?o o caminho para outros projectos cienti?ficos e tambe?m para aplicac?o?es industriais. O teste numa galeria mineira aberta a visitantes e? uma aproximac?a?o a? utilizac?a?o da muografia numa mina em operac?a?o ? por exemplo para evitar acidentes causados por perfurac?a?o de bolsas de ga?s em explorac?o?es de sal. Essa e outras utilizac?o?es sera?o tornadas possi?veis pela experie?ncia de utilizac?a?o do instrumento e dos me?todos adquirida neste projecto. EM EN Muography is an imaging technique that uses natural cosmic muon radiation, produced at high rate by cosmic rays impinging on the Earth atmosphere. Muons can transverse large depths, the flux attenuated is measured in cross integrated depths of the order order of kg/cm2. They are thus powerful probes for imaging large structures. The use of muography has seen a substantial development in the last years. Our team joins different expertise in particle detectors and cosmic ray analysis from LIP, and long tradition in geophysical surveys and analysis from ICT-UE?vora. With a strong support from the Lousal Science Centre (see support letter), which will house the final tests in our project. Our goal is to establish the use of RPC-based muography for Earth subsurface surveys. In this exploratory project we will benchmark it in an accessible but realistic setting. It will significantly boost the preparation of the instrument and methods for future use in a number of applications on subsurface geophysics. There are three fundamental pieces for this project: 1) the instrument - which already exists but will be full characterized and optimized in the laboratory; 2) the analysis methods - which are being developed together between particle physicists and geophysicists; 3) the test site, at Lousal - which needs to be well characterized with independent geophysical techniques, to provide a reference for the first subsurface muographic survey by the team. At the end of the exploratory project, we will have a better knowledge of the geology of Lousal and a direct assessment of the potential of muography for subsurface geophysics. Both the instrument and the methods will be ready for larger scale projects. Our instrument, the muographer, is a muon telescope composed of four planes of one square meter Resistive Plate Chambers (RPCs) operating with low gas flux, readout by low-power front-end-electronics. They were developed by the LIP team for application in large open air cosmic ray observatories, where the detector needs to have high autonomy and reliability as for geophysical application. The muographer is now operating in the LIP detector laboratory. The data acquired there will be used for characterization of the instrument, guiding future upgrades, and to optimize image reconstruction methods. Testing the full muography machinery in the controlled environment of a building is a first step, before the challenging move to Lousal. Integrating particle physics and geophysics techniques is key in this project. Using particle physics tools we will create a full simulation chain which can include all the details of muon propagation over a detailed geophysical model. Conversely, we will make the geophysical model inversion starting from the typical coordinate system of muography, which better accounts for the particle physics aspects. At Lousal there is an underground gallery providing a diversity of well-controlled geological structures to analyse at the meter scale. The local setting includes Paleozoic age sedimentary and volcanic rocks and the regional Corona fault. We will first construct a detailed model from existing large scale information and specific local knowledge gathered during the project, with surveying methods independent of muography. It will be used to guide our muographic survey, configuring different scenarios for observation. The first 2D muographs will be confronted with the one expected from the full simulation, including all the available density information. The full geophysical analysis will be done using only other constraints, in order to independently obtain the 3D density mapping from the muographic data. We aim at identifying independently the geological structures we already know about, providing an end-to-end test of muography. The muographic data will then be used to increase the precision of the density mapping at Lousal, in a first real case application. These results will pave the road for future scientific projects and also industrial applications. The test in an underground gallery opened to the public mimics the usage of muography in an operating mine, for example to prevent accidental explosions from inadverted perforation of gas pockets in salt explorations. This and other uses will become possible by the experience in the use of the instrument and methods gained in this project.