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Jul 03, 2023

Terre, vent et eau : comment les muons cosmiques aident à étudier les volcans, les cyclones et bien plus encore

Michael Allen scrute les profondeurs des catastrophes naturelles alors qu'il s'adresse aux physiciens qui utilisent la tomographie muonique pour mieux comprendre les volcans et les cyclones tropicaux.

Michael Allenscrute les profondeurs des catastrophes naturelles en s'adressant aux physiciens qui utilisent la tomographie muonique pour mieux comprendre les volcans et les cyclones tropicaux

Les scientifiques et les ingénieurs s’efforcent toujours de mettre au point de meilleurs systèmes d’alerte précoce pour atténuer les dommages causés aux personnes et aux biens par les catastrophes naturelles telles que les volcans. Une technique vers laquelle les chercheurs se tournent de plus en plus est, à bien des égards, un envoyé du ciel. Cela implique l’utilisation de muons : des particules subatomiques produites lorsque des rayons cosmiques – principalement des protons de haute énergie provenant d’événements tels que des supernovae – entrent en collision avec des atomes situés à 15 à 20 kilomètres d’altitude dans notre atmosphère.

Nous savons que l'atmosphère terrestre est constamment frappée par ces rayons cosmiques primaires, leurs collisions produisant une pluie de particules secondaires, notamment des électrons, des pions, des neutrinos et des muons. En fait, jusqu'à 10 000 muons provenant de ces rayons cosmiques secondaires pleuvent chaque minute sur chaque mètre carré de la surface terrestre. Ces particules ont les mêmes propriétés que les électrons mais ont une masse environ 200 fois supérieure, ce qui signifie qu’elles peuvent voyager beaucoup plus loin à travers les structures solides que les électrons.

Mais ce qui rend les muons intéressants en tant que sonde, c'est que les interactions entre les muons et les matériaux qu'ils traversent affectent leur flux, les objets plus denses déviant et absorbant plus de muons que les structures moins denses. C’est cette différence de flux qui est utilisée pour imager la structure interne des volcans dans une technique connue sous le nom de « muographie ». Le terme a été inventé en 2007 par Hiroyuki Tanaka de l'Université de Tokyo et ses collègues, qui ont fourni la première démonstration que les vides et les cavités à l'intérieur du volcan pouvaient être détectés avec cette technique (Earth Planet. Sci. Lett.2631-2).

Également connue sous le nom de tomographie des muons, elle utilise des détecteurs pour produire une carte de densité inverse de l’objet traversé par les muons. Les endroits où un plus grand nombre de muons frappent les capteurs représentent des zones moins denses de la structure, tandis qu'un nombre moins important de muons mettent en évidence des parties plus denses. Tanaka et ses collègues ont même tenté de prévoir les éruptions volcaniques en utilisant la muographie combinée à un réseau neuronal convolutionnel d’apprentissage profond par l’IA. En 2020, ils ont utilisé cette technique pour étudier l'un des volcans les plus actifs au monde – le volcan Sakurajima dans le sud du Japon (voir ci-dessus), qui est entré en éruption 7 000 fois au cours de la dernière décennie (Sci. Rep.dix5272).

La muographie est très similaire à la radiographie, selon Jacques Marteau, physicien des particules à l'Institut de Physique des 2 Infinis (IP2I) à Lyon, France. «Il remplace les rayons X issus de l'imagerie médicale par une autre particule, à savoir le muon», précise-t-il. "La muographie est essentiellement un processus d'imagerie qui scanne la densité d'un objet exactement de la même manière que l'imagerie aux rayons X."

La muographie est un processus d'imagerie qui scanne la densité d'un objet exactement de la même manière que l'imagerie aux rayons X.

Plusieurs dispositifs différents peuvent être utilisés pour détecter les muons, dont la plupart ont été développés dans le cadre d'expériences de physique des particules, comme au Grand collisionneur de hadrons du CERN. Toutefois, lorsqu’il s’agit d’imagerie de volcans, les détecteurs les plus couramment utilisés sont constitués de couches de scintillateurs. Lorsque les muons traversent le détecteur, chaque couche produit un éclair de lumière qui, ensemble, peut être utilisé pour reconstruire la trajectoire entrante des particules. Les détecteurs sont placés sur les pentes inférieures du volcan et sont orientés pour détecter les muons qui le traversent.

Mais la muographie n’a pas seulement été utilisée pour imager la structure interne des volcans. Les chercheurs ont également utilisé cette technique pour détecter des changements de densité au sein des volcans liés à la montée du magma, ainsi que des changements dans la forme du magma, l'activité hydrothermale et la pression dans les cavités et les conduits.

Giovanni Macedonio, directeur de recherche à l'Institut national de géophysique et de volcanologie de Rome, en Italie, explique qu'il existe trois techniques principales pour étudier et surveiller les volcans. La première consiste à utiliser des données sismiques. Une autre consiste à mesurer les déformations du sol avec des satellites, tandis qu'une troisième consiste à analyser la géochimie des fluides du volcan.