ENXERGANDO ATRAVÉS DO CHUMBO COM MÚONS FEITOS A LASER
O múon é um primo pesado do elétron. Graças à sua massa muito maior, ele perde pouca energia ao atravessar a matéria e consegue passar por espessuras enormes de rocha ou metal.
Essa é a base da muografia: tirar “radiografias” de objetos enormes ou densos com múons. Ela revelou um grande vazio dentro da pirâmide de Quéops em 2017 e já foi usada para sondar vulcões como o Asama e o Etna, minas, túneis ferroviários, geleiras e contêineres de carga.
O limite dos múons do céu
Até agora, a muografia dependia apenas de múons cósmicos, produzidos naturalmente quando os raios cósmicos atingem a atmosfera. Seu fluxo é baixo — cerca de um múon por centímetro quadrado por segundo —, então as exposições são longas. Eles vêm quase sempre de cima, e ninguém controla sua energia nem sua direção.
A alternativa: criar um feixe artificial de múons com um laser. A “aceleração por onda de esteira de plasma” (laser wakefield acceleration) consegue levar elétrons a cerca de 10 GeV em poucos centímetros de gás. Quando esses elétrons atingem um alvo sólido, produzem múons. Múons gerados por laser foram confirmados pela primeira vez em 2025, em Xangai e no laser BELLA, em Berkeley — mas detectados apenas indiretamente.
O experimento
O trabalho foi feito no ELI-NP (Extreme Light Infrastructure – Nuclear Physics), em Măgurele, na Romênia, com seu braço de laser de 10 petawatts: 230 joules entregues em 23 femtossegundos, no máximo um tiro por minuto. A campanha usou 230 tiros.
- Um alvo de gás de 60 mm produziu elétrons de até 8 GeV.
- Eles atingiram um bloco de chumbo de 40 × 40 × 50 cm. Ali, raios gama criaram pares múon–antimúon (o processo de Bethe–Heitler).
- Uma blindagem pesada — 100 cm de polietileno, 60 cm de parafina, chumbo e uma parede de concreto armado de 2 metros — barrou os nêutrons e raios gama indesejados.
- Três detectores construídos para muografia registraram o feixe. Um deles, o µ36, foi montado numa van e levado a 20, 29 e 42 metros da fonte, e até 6 metros para o lado.
- Simulações de Monte Carlo detalhadas (GEANT4) reproduziram toda a montagem, tiro a tiro, a partir dos espectros de elétrons medidos.
O que eles mediram
- Perfil do feixe: um pico centrado no eixo, com 4,51 m de largura (a meia altura) a 20 m e 6,35 m a 29 m — um ângulo de abertura de cerca de 12,6°. As simulações dão 4,43 m e 6,27 m.
- A 20 m, 86,9 % da energia depositada no detector vem dos múons, embora as partículas indesejadas sejam mais numerosas.
- Energia dos múons: alguns GeV, até 6–7. Os múons precisam de pelo menos 1,5 GeV para chegar aos detectores.
- Imagem: um objeto de chumbo de 20 × 25 × 100 cm, colocado a 23 m da fonte, foi imageado ao longo de 30 tiros de laser. Seu tamanho reconstruído: 22,5–25 cm — o objeto real tem 25 cm de espessura. O sinal atrás dele cai cerca de 26 %. Resolução: 2,5 cm, a largura de uma barra do detector.
- Na simulação, sem os múons, os raios gama e os nêutrons não produzem essa imagem, apenas um fundo uniforme.
Além dos múons do céu
Segundo os autores, esta é a primeira imagem dominada por um feixe artificial de múons gerado por laser. Uma fonte artificial traz um fluxo mais intenso e controle de direção e energia — sem precisar esperar pelo céu. Ela também poderia servir à espectroscopia de spin de múons e a estudos de neutrinos. As próximas campanhas buscam energias de elétrons mais altas e detectores feitos para fluxos elevados.