Cercare le stanze segrete delle piramidi con i raggi cosmici

Una delle tante ricadute pratiche della ricerca di base

E' notizia recente la scoperta di ampie zone vuote, finora sconosciute, all'interno della grande piramide di Cheope, che potrebbero indicare la presenza di ulteriori stanze di cui si ignorava la presenza. Scoperte simili sono state recentemente effettuate anche su altre piramidi egizie (fonte). Qaalche giorno fa la notizia ufficiale, pubblicata sulla rivista Nature: esiste una zona vuota, lunga almeno 30 metri, all'interno della Grande Piramide, il cui contenuto è del tutto sconosciuto. E' una delle più importanti scoperte dell'Egittologia moderna.

A parte scatenare la reazione entusiasta e scontata degli ufologi e di tutti i fanatici del mistero, per i quali le piramidi rappresentano la summa di tutte le credenze strampalate di qualunque tipo, e per i quali una stanza ancora inesplorata al loro interno nasconde senz'altro le incredibili tecnologie che gli alieni notoriamente regalavano agli egizi (senza che questi poi le usassero), la cosa interessante è il modo in cui queste scoperte sono state effettuate.

Dato che non è propriamente agevole smontare una piramide e guardare cosa c'è dentro (anche perché poi, una volta smontata, c'è il rischio che passi la voglia di rimontarla o finiscano i fondi dai finanziatori, e va a finire che si lasciano tutti i pezzi in giro, come i bambini quando hanno finito di giocare, che poi la mamma si arrabbia) è stato necessario utilizzare tecniche che permettono di radiografarne l'interno. 

In particolare, tra i vari sistemi utilizzati, c'è la "radiografia a muoni", una tecnica mutuata dalla fisica delle particelle elementari, applicata in questo caso per scrutare l'interno di una struttura di pietra altrimenti inaccessibile.

I muoni sono particelle subnucleari del tutto simili agli elettroni, ma circa 200 volte più pesanti, e sono prodotti in abbondanza dai raggi cosmici. Essi ci piovono costantemente addosso, anche in questo momento, e attraversano noi, le pareti della nostra casa, e a volte anche chilometri di roccia. Tanto per dare un'idea, al livello del mare mediamente 100 muoni al minuto colpiscono una superficie di un metro quadrato.

Questi muoni sono prodotti quando i protoni dei raggi cosmici primari, provenienti da sorgenti astrofisiche di vario tipo, dopo un viaggio indisturbato di svariate migliaia di anni luce incontrano gli strati alti dell'atmosfera terrestre. A questo punto essi urtano contro i nuclei degli atomi che trovano lungo la loro traiettoria, e in ognuno di questi urti si producono cascate di particelle secondarie, attraverso processi che i fisici delle particelle studiano da decenni. Tra le varie particelle che saltano fuori in questi urti, che avvengono continuamente nella nostra atmosfera, sono prodotti anche i muoni, che a questo punto non possono fare altro che pioverci addosso.

Essi, essendo dotati di carica elettrica, quando attraversano uno spessore di materia ionizzano gli atomi che incontrano durante il loro percorso, perdendo quindi un po' della loro energia ad ogni atomo a cui tirano fuori un elettrone. Tuttavia, proprio la loro massa relativamente elevata, unito al fatto che non risentono dell'interazione nucleare, fa sì che essi perdano energia soltanto a causa della ionizzazione che inducono, senza essere bruscamente arrestati (questo è vero se i muoni non sono esageratamente energetici).

Il risultato di tutte queste considerazioni sul comportamento dei muoni quando attraversano la materia è che essi, man mano che attraversano uno spessore di materia come in questo caso la pietra, perdono energia in modo graduale ionizzando gli atomi del materiale stesso, fino a che non hanno più energia e si fermano. E siccome la perdita di energia dei muoni causata dalla ionizzazione è relativamente piccola rispetto alle energie tipiche dei muoni dei raggi cosmici, e comunque ben nota per i vari tipi di materiale (pietra, ferro, aria, acqua etc), il risultato è che essi sono capaci di attraversare grandi spessori di materia prima di fermarsi. Quelli più energetici attraverseranno spessori maggiori, che possono essere anche svariati chilometri di roccia, quelli di energia inferiore si arresteranno prima.

E quindi come si fa a usare i muoni per guardare dentro una piramide?

Ci si mette all'ombra dietro una faccia della piramide con appositi apparati di misura che sono capaci di identificare l'arrivo dei muoni e misurarne la loro direzione, e si registra quanti muoni arrivano dopo essere passati attraverso la piramide stessa e da che direzione arrivano. E poi ci si sposta attorno alla piramide, per fare la stessa misura con i muoni provenienti da direzioni diverse, faccia per faccia.

Per una piramide "uniformemente piena" ci si aspetta che i muoni che passano dopo averla attraversata diminuiscano in modo uniforme, compatibile con la forma della piramide e con la densità della pietra, fattore da cui dipende l'assorbimento dei muoni.

A questo punto però, se all'interno della piramide esiste una stanza vuota, un buco sufficientemente grande, si osserveranno direzioni dalle quali il flusso di muoni passanti è maggiore del previsto, perché in quelle zone c'è meno materia in grado di assorbirli.

Quindi se si osserva una zona in cui il numero dei muoni passanti è alto in maniera anomala, allora vuol dire che lì c'è un buco, una cavità dove i muoni non trovano ostacolo nel loro percorso, e quindi arrivano in maggiore quantità rispetto a quanto ci si aspetterebbe da una piramide uniformemente piena. Semplice no?

La radiografia a muoni è una delle innumerevoli applicazioni pratiche della ricerca di base. Fenomeni inizialmente studiati per la fisica delle particelle, oggi sono applicati a settori completamente diversi, come in questo caso all'archeologia.

Un'altra applicazione interessante della radiografia a muoni è quella di studiare l'interno dei vulcani, come ad esempio il Vesuvio. Conoscere l'interno di un vulcano esplosivo come il Vesuvio è importante non soltanto per motivi accademici, ma anche strettamente pratici, vista la zona ad altissimo rischio in cui si trova. Maggiori dettagli su come si può studiare in maniera indiretta l'interno del Vesuvio, sia tramite i muoni che attraverso altre tecniche, possono essere trovati qui.