Muons et volcans // Muons and volcanoes

drapeau francaisEn mai 2007 et décembre 2010, j’ai écrit deux articles expliquant que les scientifiques japonais essayaient d’observer l’intérieur des volcans en utilisant une nouvelle technologie basée sur l’utilisation des muons, particules chargés positivement ou négativement, en provenance des couches supérieures de l’atmosphère. Lorsque le rayonnement cosmique produit par les explosions de supernovae et autres évènements dans l’espace lointain atteint la Terre et entre en collision avec l’atmosphère, cela génère un grand nombre de muons. Ils représentent 70% des rayons cosmiques qui atteignent la surface de la Terre. Comme ils ont une masse très faible, les muons passent à travers tous les objets, mais certaines substances les bloquent plus que d’autres, de la même façon que les os interfèrent avec des particules des rayons X. Pour les volcanologues, la radiographie par les muons, ou muographie, est un outil relativement nouveau qui pourrait permettre de percer les mystères qui entourent l’activité volcanique.
Tout comme une plaque radiographique capte le rayonnement traversant le corps, une plaque spéciale d’émulsion nucléaire est utilisée pour capter les muons qui traversent un volcan. Les scientifiques comptent ensuite le nombre de particules qui ont atteint la plaque pour mesurer les densités relatives de l’intérieur du volcan. Ces données sont converties en éléments visuels indiquant l’emplacement et la forme des conduits et réservoirs magmatiques. Pour capter les muons qui traversent latéralement le volcan, la plaque d’émulsion nucléaire est positionnée sur le flanc de la montagne. Le magma qui contient de la vapeur d’eau et les conduits magmatiques sont moins denses que la roche encaissante et le sol sous pression, donc un plus grand nombre de muons passent à travers ces zones et atteignent la plaque.
La muographie n’est pas le seul moyen d’étudier l’intérieur d’un volcan. On a vu de quelle façon les scientifiques américains ont disposé un réseau de sismographes autour du Mont St Helens pour enregistrer les ondes sismiques générées par la détonation d’explosifs. Cependant, la muographie est d’un ordre de grandeur plus précis que la technique sismique conventionnelle.
En 2013, la muographie a été utilisée pour visualiser la structure interne du volcan Satsuma-Iojima dans la préfecture de Kagoshima. Les scientifiques savaient que le volcan dissimulait un réservoir magmatique, mais la muographie a révélé que la quantité de magma était beaucoup plus grande que prévu.
L’avènement de la muographie présente de nouvelles perspectives en volcanologie, mais il y a encore un bon nombre d’obstacles. Le principal est le coût. Les détecteurs de muons sont des dispositifs haut de gamme qui coûtent des centaines de milliers de dollars chacun, ce qui va à l’encontre des coupes budgétaires qui affectent actuellement les laboratoires scientifiques. Cela signifie que seul un nombre limité de détecteurs de muons peut être acheté et déployé sur le terrain.
Un autre obstacle est la complexité de la science, ce qui nécessite à la fois une bonne connaissance de la physique des particules et de la volcanologie. La collaboration entre les scientifiques dans ces différents domaines pourrait aider à résoudre ce problème.
Depuis le début des années 1950, les scientifiques utilisent la muographie pour étudier l’intérieur de structures massives telles que les pyramides d’Egypte. La technologie a également été utilisée pour tenter de déterminer l’emplacement du combustible nucléaire à la centrale de Fukushima après le séisme qui a frappé le Japon en mars 2011.
Source: Nikkei Asian Review: http://asia.nikkei.com/

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drapeau-anglaisIn May 2007 and December 2010, I wrote two articles explaining that Japanese scientists were trying to see the inside of the volcanoes by using a new technology based on the use of muons, particles which are charged positively or negatively, coming from the upper layers of the atmosphere.
When cosmic radiation from supernova explosions and other events in deep space reaches Earth and collides with the atmosphere, large numbers of muons are generated. They account for 70% of the cosmic rays that reach the surface of the Earth. Because they have such an extremely small mass, muon particles pass through about everything, but some substances block them more than others, similar to how bones interfere with X-ray particles.
For volcanologists, cosmic-ray muon radiography, or muography, is a relatively new tool that could eventually help unravel the mysteries surrounding volcanic activity.
Just like an X-ray plate captures radiation passing through the body, a special nuclear emulsion plate is used to capture muons passing through a volcano. Scientists then count the number of particles that reached the plate to measure the relative densities of the interior. This data is converted into a visualization showing the locations and shapes of conduits and magma reservoirs. To capture muons that traverse the volcano laterally, the nuclear emulsion plate is positioned on one side of the mountain. Magma containing water vapor and magma conduits are less dense than rock and pressurized soil, so more muons pass through these areas and reach the plate.
Muography is not the only way to study the inside of a volcano. We have seen how American scientists arranged a network of seismographs around Mt St Helens to record the seismic waves generated by the detonation of explosives. However, muography is an order of magnitude more precise than the conventional seismic technique.
In 2013, muography was used to visualize the internal structure of the Satsuma-Iojima volcano in Kagoshima Prefecture. Scientists had imagined that the volcano contained a magma reservoir, but muography revealed that the quantity of magma was far greater than predicted.
The advent of muography presents a whole new opportunity for volcanologists, but there are still quite a good number of obstacles. One big hurdle is the cost. Muon detectors are specialized devices that cost hundreds of thousands of dollars apiece, which goes against the budget cuts that currently affect scientific laboratories. This means that only a limited number of muon detectors can be purchased and deployed.
Another hurdle is the complexity of the science, which requires familiarity with both particle physics and volcanology. Collaboration among scientists in different fields could help solve the second problem.
Since the early 1950s, scientists have used muography to study the interior of such massive structures as the pyramids of Egypt. The technology was also used to try to ascertain the location of nuclear fuel at the Fukushima nuclear power plant after the earthquake that struck Japan in March 2011.
Source : Nikkei Asian Review : http://asia.nikkei.com/

Iodake

Vue du volcan Satsuma-Iojima (Préfecture de Kagoshima) en juin 2015.

(Crédit photo: Wilipedia)