Des particules provenant des hautes régions de l'atmosphère nous traversent constamment. Cela ne nous dérange pas du tout. De plus, nous pouvons facilement les utiliser pour tout filtrer, des déchets nucléaires aux volcans.
2017 n'a pas très bien commencé. Dans son discours du Nouvel An, le dirigeant nord-coréen Kim Jong-un a annoncé que son pays travaillait sur un missile intercontinental qui lui permettrait d'envoyer une bombe nucléaire aux États-Unis. Le monde entier en a parlé avec le mélange familier de peur et de perspective. On peut s'attendre à tout de la part de la Corée du Nord, mais le développement et le lancement d'un tel missile demandent pas mal d'efforts. La question est de savoir si Kim mettra vraiment la main sur une telle chose dans un avenir prévisible.
Le brillant camarade pourrait également se faciliter la tâche. Supposons qu'il envoie sa bombe nucléaire non pas dans les airs, mais dans un conteneur maritime vers l'Ouest. Non seulement cela rend superflu le développement coûteux d'une fusée, mais cela le libère également de beaucoup d'incertitudes. Un tel conteneur peut prendre un peu plus de temps sur le trajet, mais vous pouvez être sûr qu'il atteindra réellement sa destination, bien plus qu'avec une fusée. Et si son plan infâme sortait ? Reste ensuite à trouver le conteneur en question. Une tâche impossible, si l'on considère que 500 millions d'unités sont expédiées chaque année.
Les scientifiques travaillent dur sur un système qui fera exactement ce travail pour nous. Il peut scanner n'importe quel conteneur dans un port à la recherche de substances telles que l'uranium et le plutonium, sans retarder les choses. Et le meilleur, c'est que l'ingrédient crucial de cette méthode de détection nous parvient gratuitement du ciel sous la forme de rayons cosmiques.
Ce rayonnement ne nous aide pas seulement à détecter les bombes nucléaires. Il a de nombreuses autres utilisations, de la cartographie des pyramides à la numérisation des réacteurs de Fukushima.
Premier retour aux sources. Qu'est-ce que c'est exactement que les rayons cosmiques ? Ce sont des particules, en particulier des protons et des noyaux d'hélium, qui pleuvent de l'univers sur l'atmosphère terrestre. Selon les astronomes, ils proviennent d'explosions de supernova, des trous noirs supermassifs qui rongent le centre d'autres galaxies. Lorsqu'elles arrivent ici après un voyage de souvent des millions d'années-lumière, elles entrent en collision avec les molécules de notre atmosphère. Cela crée des particules dites secondaires. Et cela concerne en particulier un type de particules secondaires :le muon.
Le muon est une particule qui, grâce à sa masse élevée, peut difficilement être déviée de sa trajectoire. En conséquence, non seulement la majorité des muons formés haut dans l'atmosphère atteignent la surface de la Terre, mais ils traversent aussi sans ménagement les personnes, les bâtiments, les conteneurs d'expédition et les bombes nucléaires.
"Les rayons cosmiques sont très appropriés pour la recherche d'uranium et de plutonium"
Cela ne les rend pas très utiles au début. Vous ne pouvez rien mesurer avec des particules traversant tout. Mais un muon volant à travers la matière est un peu distrait. Il a une charge électrique négative, il est donc repoussé par les électrons négatifs et attiré par les noyaux atomiques chargés positivement.
Cela fait osciller un peu la particule sur son orbite. Et, très important, plus les noyaux atomiques qu'il rencontre sont lourds, plus il est dévié. Cela rend le muon extrêmement adapté à la recherche d'uranium et de plutonium, les composants cruciaux des armes nucléaires et des éléments les plus lourds qui se produisent dans la nature.
Avec les conteneurs maritimes, la recherche d'éléments lourds s'effectue de la manière suivante. Vous placez un certain nombre de plaques au-dessus et au-dessous du conteneur d'expédition, qui enregistrent lorsqu'un muon le traverse. Vous pouvez alors reconstruire le chemin du muon entrant à partir des positions où un muon a traversé les plaques au-dessus du conteneur. A partir des plaques sous le conteneur, vous reconstituez le trajet du muon lorsqu'il a quitté le conteneur. En étendant les deux orbites vers le centre, vous trouverez le point où le muon a probablement pris son plus gros coup et où l'uranium ou le plutonium peuvent se trouver.
Pour déterminer où se trouvent ces éléments lourds, les conteneurs sont généralement divisés en petits pixels tridimensionnels, également appelés voxels. Vous déterminez d'abord quels voxels contiennent des matières nucléaires, puis vous estimez comment les matières sont réparties sur l'ensemble du conteneur.
«Cela nécessite des calculs très intensifs et beaucoup de puissance informatique», explique le physicien Jaap Velthuis (université de Bristol). Selon lui et ses collègues, ce n'est pas nécessaire. "Vous ne pouvez pas simplement diviser les bombes contenant de l'uranium en petits morceaux pour les passer en contrebande individuellement, puis les reconstituer." Alors lui et son équipe divisent les conteneurs en boîtes plus grandes pour les scanner, ce qui réduit la quantité de calculs.
Grâce à l'« astuce » ci-dessus, Velthuis et ses collègues peuvent scanner un petit conteneur d'expédition en 60 secondes et, sur cette base, étiqueter immédiatement 64 % comme sûrs. Après 90 secondes, c'est même 88 %. Les scores sont encore plus élevés pour les grands conteneurs car, relativement parlant, ils tiennent moins bien.
Une minute à une minute et demie suffisent pour effectuer le scan pendant que le conteneur se déplace d'un navire à un camion, sans arrêter la chaîne. Si un conteneur appartient à la catégorie « dangereux », vous devez le scanner plus longtemps. "Mais même avec un conteneur très difficile à scanner, que nous avions empilé avec des batteries et des blocs moteurs, nous avons obtenu la bonne réponse en cinq minutes", explique Velthuis.
L'avantage de scanner des conteneurs avec des muons est que vous n'utilisez pas de radiations ou de particules émises par la matière nucléaire elle-même. Par conséquent, cela n'a aucun sens pour les passeurs de protéger la cargaison avec, par exemple, du plomb ou de l'eau. De plus, avec cette méthode de balayage, vous ne dégagez aucun rayonnement sur la charge. "Les méthodes de scan qui utilisent cela sont interdites si un récipient contient des denrées alimentaires", explique Velthuis. De plus, il pourrait y avoir des réfugiés dans un conteneur. C'est aussi une raison de ne pas s'occuper des radiations.
Personne ne peut prétendre qu'il ne résiste pas aux muons. De toute façon, ils filment constamment, que vous numérisiez ou non. Il existe maintenant une station de test qui utilise des muons pour scanner des conteneurs à Freeport, la plus grande ville des Bahamas, après Nassau. Un système plus largement déployé n'est pas prévu. "Cela est bloqué par la question de savoir qui doit payer", déclare Velthuis.
Un problème similaire auquel les muons peuvent apporter une solution est celui des déchets nucléaires. En principe, chaque pays possédant des centrales nucléaires doit faire face à cela. C'est encore plus important en Grande-Bretagne qu'ici, dit Velthuis. « Dans les années 1950, les Américains et les Russes avaient des bombes atomiques, les Britanniques non. Ils ont alors commencé à travailler très dur là-dessus sans penser au problème des déchets.'
Les Britanniques ont résolu leur problème de déchets en jetant toutes sortes de matières radioactives telles que des combinaisons, des outils, etc. dans des conteneurs et en les remplissant de béton. On ne sait plus exactement ce qui se trouve dans quel conteneur. De plus, l'uranium peut gonfler avec le temps. Le plutonium, d'autre part, obtient une structure de trou de fromage. Ce sont des raisons supplémentaires de regarder exactement quelle est la situation avec un tel conteneur après un demi-siècle.
Heureusement, nous pouvons appliquer exactement la même technique muonique que celle que nous utilisons pour les conteneurs d'expédition. La seule différence est qu'il s'agit de petits morceaux de matière radioactive. Par conséquent, vous devez numériser plus longtemps pour obtenir une bonne image. Quoi qu'il en soit, la pression temporelle à laquelle vous devez faire face dans un grand port est beaucoup moins importante lorsque vous regardez les déchets nucléaires anciens.
Il y a certainement une demande de la part de l'industrie nucléaire pour de tels contrôles, dit Velthuis. Nous attendons juste un processus systématique dans lequel tous les anciens déchets nucléaires seront examinés.
Une question un peu plus urgente dans le monde nucléaire est le nettoyage de la centrale nucléaire de Fukushima. Le tsunami de 2011 a provoqué des effondrements, des explosions et la libération de matières radioactives. Nous sommes maintenant six ans plus tard et il est important de démanteler les réacteurs de manière responsable. Pour ce faire, vous devez d'abord connaître l'état des cœurs des réacteurs et où se trouve le combustible radioactif. Le simple fait d'entrer pour regarder de plus près n'est pas une option. Les niveaux de radiation sont encore trop élevés pour cela.
Ici aussi, les muons viennent à la rescousse, car avec eux, vous pouvez facilement voir à travers les épais murs de béton et les parois du réacteur. En fait, cela s'est déjà produit, bien que d'une manière un peu plus simple que celle décrite ci-dessus. Des chercheurs japonais ont utilisé des muons pour fabriquer une sorte de radiographie des réacteurs. Selon des résultats peu clairs, le combustible du réacteur 2 est au fond de la cuve, alors qu'on ne trouve plus rien dans le réacteur 1.
"Les muons de valeur japonais pour surmonter la pire catastrophe nucléaire depuis Tchernobyl"
Christopher Morris du Laboratoire national de Los Alamos au Nouveau-Mexique affirme que la technique utilisée n'est pas très sensible à l'uranium dans le cœur du réacteur. Son équipe veut examiner de plus près les réacteurs "à la manière des conteneurs de navires", avec des détecteurs des deux côtés des réacteurs. "Ce projet a été interrompu pendant un moment et ne fait que redémarrer." En tout cas, les Japonais savent valoriser les muons pour surmonter la plus grande catastrophe nucléaire depuis Tchernobyl.
Même si nous laissons les armes nucléaires et les centrales nucléaires derrière nous pendant un certain temps, les muons peuvent être un moyen utile de visualiser quelque chose. Un exemple classique est le balayage des pyramides. Les archéologues veulent savoir quels types d'espaces se cachent dans les énormes tombes royales. S'ouvrir avec un bulldozer n'est pas une option, mais quelques détecteurs de muons stratégiquement placés ne feraient de mal à aucune merveille du monde.
"Les archéologues veulent utiliser des détecteurs spécialisés pour visualiser les espaces cachés dans les pyramides"
Le premier à avoir eu cette idée a été le lauréat du prix Nobel de physique Luis Alvarez. Dans les années 1960, les égyptologues se sont demandé pourquoi l'immense pyramide de Khéops avait un intérieur plus complexe que la pyramide adjacente de Khéphren, alors que la seconde a été construite plus tard. Alvarez pensa alors :peut-être que la pyramide de Khéphren est en réalité au moins aussi complexe que celle de Khéops et nous n'avons pas encore trouvé toutes sortes de pièces.
Alvarez et son équipe ont placé un certain nombre de détecteurs de muons dans une chambre au bas de la pyramide de Khafre. S'ils recevaient plus de muons d'une direction que d'autres directions, cela pourrait indiquer une pièce. Les muons devraient le traverser plus facilement qu'à travers la roche solide qui constitue le reste de la pyramide. Malheureusement, Alvarez a pu voir avec ses détecteurs de muons où se trouvaient les coins et le "chapeau" caractéristique de la pyramide - la technique a fonctionné - mais il n'a révélé aucun espace inconnu.
Les scientifiques reprennent l'idée d'Alvarez avec un enthousiasme renouvelé. La première cible de ce projet ScanPyramids était la pyramide kink vieille de 4 500 ans de Snofroe. Dans ce document, les scientifiques ont exposé 80 détecteurs de muons en forme de tuiles aux rayons cosmiques pendant 40 jours, leur permettant de déterminer la structure de la structure sans la casser. Il n'y a pas eu de surprise ici non plus.
Les choses sont devenues plus intéressantes lorsque, à l'été 2016, les chercheurs ont lancé un plus grand arsenal de techniques muoniques sur la Grande Pyramide, construite par le successeur de Snofroe, Cheops. Cela a montré qu'il y a un "vide" encore inconnu derrière le mur nord de cette pyramide. Ils sont encore en train de déterminer la forme, la taille et la position exactes de celui-ci. De plus, les muons ont permis aux scientifiques de confirmer l'existence d'un autre espace suspect, à plus de 100 mètres au-dessus du sol à l'angle nord-est. Printemps 2017, nous attendons plus de résultats. (ceci est un article d'Eos d'avril 2017)
La recherche sur les pyramides s'appuie non seulement sur les travaux d'Alvarez des années 1960, mais bénéficie également d'un domaine complètement différent :l'étude des volcans avec des muons. Vous voulez aussi savoir exactement ce qu'il contient, et pas seulement par curiosité. "Vous voulez déterminer la quantité d'eau qu'il y a dans la roche", explique Velthuis. "Si la roche est très sèche et qu'il y a une éruption, la lave coule relativement lentement, vous avez donc le temps de vous échapper."
S'il y a beaucoup d'eau dans la roche, ce sera une toute autre histoire. "Ensuite, de la vapeur est créée et toute la montagne explose." Surtout au Japon, avec ses plus d'une centaine de volcans actifs, c'est un domaine de recherche très vivant pour des raisons plus que compréhensibles.
Il devrait être clair, les rayons cosmiques et en particulier les muons qui en résultent, n'intéressent pas que les astronomes. Les scientifiques dont la curiosité se concentre sur des questions plus terrestres peuvent également en bénéficier de toutes sortes de manières. Ils peuvent même nous protéger contre les menaces nucléaires de toutes formes et tailles.
Espérons que cette dernière application décolle avant que Kim Jong-un ne publie la traduction coréenne de cet article tombe entre vos mains. Le Grand Leader pourrait conclure que même si un conteneur maritime peut sembler moins spectaculaire qu'un missile intercontinental, c'est un moyen plus pratique d'énerver les Américains.
