Viaggio al Cuore dei Tesori del Passato: La Magia dei Raggi X Muonici per Svelare i Segreti degli Artefatti Edo

Ciao a tutti, appassionati di storia, scienza e misteri irrisolti! Oggi voglio portarvi con me in un’avventura incredibile, un vero e proprio viaggio nel tempo reso possibile da una tecnologia che sembra uscita da un film di fantascienza. Parleremo di come possiamo sbirciare all’interno di preziosissimi reperti archeologici, come quelli del periodo Edo giapponese, senza nemmeno scalfirli. Sembra magia, vero? E invece è scienza, pura e affascinante: l’imaging elementare 3D non distruttivo tramite i raggi X muonici!

Il Dilemma dell’Archeologo: Curiosità vs Conservazione

Immaginate di avere tra le mani un crogiolo di ceramica vecchio di secoli, testimone di chissà quali lavorazioni artigianali. Vorreste sapere tutto: di cosa è fatto, cosa conteneva, come è stato usato. Ma c’è un problema: ogni analisi tradizionale rischia di danneggiare irreparabilmente l’oggetto. È un bel dilemma, no? Per anni, tecniche come la fluorescenza a raggi X (XRF) o la spettroscopia a dispersione di energia (EDS) ci hanno dato una mano, ma con un grosso limite: riescono a vedere solo la superficie. È come giudicare un libro dalla copertina, e spesso le informazioni più succose si nascondono proprio all’interno, magari sotto strati di metallo o decorazioni.

Pensate a un crogiolo usato per fondere metalli: come facciamo a sapere cosa succedeva davvero lì dentro, o a capire la profondità degli strati decorativi di una ceramica, se la nostra “vista” si ferma al primo millimetro? E se l’oggetto ha una forma complessa, i raggi X tradizionali vengono assorbiti in modo strano, falsando i risultati. Insomma, serviva qualcosa di più potente, qualcosa che potesse “vedere” in profondità e in 3D.

Arrivano i Muoni: Super-Particelle per Super-Indagini!

Ed è qui che entrano in gioco i miei nuovi eroi: i muoni! Cosa sono? Immaginateli come dei cugini più “pesanti” degli elettroni, circa 207 volte più massicci. Questa loro “stazza” gli permette di penetrare molto più in profondità nei materiali rispetto ai raggi X convenzionali. Quando un muone negativo viene “catturato” dal campo elettrico di un nucleo atomico, si forma un “atomo muonico”. È un po’ come se il muone prendesse il posto di un elettrone, ma orbitando molto più vicino al nucleo proprio a causa della sua massa maggiore.

Questa vicinanza fa sì che l’energia di legame sia altissima. E quando il muone salta da un’orbita all’altra, emette raggi X, chiamati appunto raggi X muonici. La figata? Questi raggi X hanno un’energia circa 207 volte superiore a quella dei normali raggi X fluorescenti! Questo significa che possono sfuggire dal campione senza essere assorbiti facilmente, portando con sé informazioni preziose sulla composizione elementare interna dell’oggetto, il tutto senza danneggiarlo minimamente. Non è fantastico?

Istituti di ricerca come il Paul Scherrer Institute (PSI) in Svizzera, l’ISIS Neutron and Muon Source nel Regno Unito e il Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) in Giappone sono all’avanguardia in questa tecnica. Hanno analizzato di tutto: da fibule romane a denari d’argento, da antiche monete d’oro giapponesi (le Tempo-Koban) a misteriose medicine sigillate del XIX secolo, rivelando contenuti che i raggi X tradizionali non avrebbero mai potuto scovare.

Però, c’era ancora un tassello mancante: la maggior parte di questi studi non riusciva a mappare la distribuzione spaziale degli elementi in tre dimensioni. E per gli artefatti archeologici, che hanno forme, dimensioni e composizioni così variegate, spesso con strati o componenti miste, l’analisi 3D è cruciale. Vogliamo capire non solo *cosa* c’è, ma *dove* si trova!

La Svolta: Vedere in 3D con i Rivelatori CdTe-DSD

Per affrontare questa sfida, abbiamo sviluppato un sistema che combina la potenza dei muoni con la tecnologia dei rivelatori a semiconduttore di tellururo di cadmio a doppia striscia (CdTe-DSD). Questi aggeggi, originariamente usati in astronomia per rilevare raggi X duri e raggi gamma, sono perfetti per i nostri scopi. Hanno un’alta efficienza di assorbimento e una buona risoluzione spaziale.

L’idea è stata quella di costruire un sistema di tomografia computerizzata (CT) un po’ speciale. Abbiamo usato quattro di questi rivelatori CdTe-DSD per acquisire immagini di proiezione da diverse angolazioni (ben 12!). Poi, con un algoritmo di ricostruzione iterativo chiamato MLEM (Maximum Likelihood Expectation Maximization), che tra l’altro è usato anche in medicina nucleare (SPECT), abbiamo potuto ricostruire le immagini 3D della distribuzione elementare all’interno del nostro campione.

Per testare il tutto, abbiamo scelto un candidato d’eccezione: un crogiolo di ceramica del periodo Edo (1603-1868), rinvenuto durante scavi archeologici nel sito di Yotsuya 1-chome a Shinjuku, Tokyo. Durante il periodo Edo, Shinjuku era un brulicare di mercanti e artigiani, inclusi lavoratori dei metalli che usavano piccoli crogioli come questo per raffinare metalli o creare oggetti. Osservazioni preliminari avevano suggerito tracce d’oro e argento sul fondo, forse usati per creare ornamenti per capelli o altri piccoli manufatti. Comprendere a fondo questi oggetti ci aiuta a ricostruire il “Edo monozukuri” (l’artigianato Edo).

Curiosamente, questo crogiolo era originariamente una mangiatoia per uccelli, poi riadattata! La sua forma, con un manico, la rendeva forse comoda per la fusione. Prodotta nelle regioni di Seto e Mino, famose per le loro ceramiche, presentava un corpo di argilla bianca con una vetrina cenerina giallastra e il fondo non smaltato.

L’Esperimento al J-PARC: A Caccia di Silicio e Ossigeno

Ci siamo quindi recati al J-PARC, che ospita il fascio di muoni negativi pulsati più intenso del mondo. Abbiamo montato il nostro sistema CT e posizionato il crogiolo al centro. Abbiamo “sparato” sul crogiolo fasci di muoni con energie diverse (regolando il loro momento a 25 e 30 MeV/c) per penetrare lo strato metallico che si presumeva coprisse il fondo e analizzare l’interno della ceramica.

Dopo ore di esposizione e raccolta dati (circa 24-28 ore per ogni energia del fascio), ecco i risultati! Negli spettri energetici abbiamo chiaramente identificato i segnali dei raggi X muonici provenienti da Silicio (Si) e Ossigeno (O). Questi elementi sono i componenti principali della silice (SiO2), che è la matrice della ceramica. Questo significava una cosa importantissima: i nostri muoni ad alta energia avevano attraversato con successo l’eventuale strato metallico superficiale e si erano fermati all’interno del corpo ceramico del crogiolo, proprio come speravamo!

Abbiamo anche osservato un segnale di Alluminio (Al), probabilmente proveniente dall’argilla stessa (minerali come caolinite e sillimanite, ricchi di Al, sono tipici delle ceramiche di Seto e Mino), ma anche da componenti del setup sperimentale, quindi su questo siamo stati più cauti. È interessante notare che non abbiamo visto picchi evidenti di Argento (Ag) o Rame (Cu), nonostante l’analisi XRF li avesse suggeriti. Questo perché l’energia dei muoni che abbiamo usato era così alta che probabilmente hanno attraversato anche il sottile strato metallico per fermarsi più in profondità nella ceramica. Per vedere quei metalli, in futuro, potremmo usare muoni a energia leggermente inferiore.

Selezionando gli eventi energetici corrispondenti ai segnali di μO(2-1) (transizione muonica 2p–1s nell’ossigeno) e μSi(3-2) (transizione 3d-2p nel silicio), abbiamo ricostruito le immagini di proiezione. Queste immagini, un po’ come le lastre di una TAC, mostravano la “vista” del fondo del crogiolo da diverse angolazioni.

Il Fantasma 3D del Crogiolo: Sfide e Prospettive

Utilizzando l’algoritmo MLEM e una funzione di diffusione del punto (PSF) calcolata con simulazioni Monte Carlo (Geant4), abbiamo finalmente ottenuto il nostro fantasma 3D, una ricostruzione tridimensionale della distribuzione di SiO2 nel fondo del crogiolo. È stato un momento esaltante! Abbiamo visto un disco uniforme di circa 25 mm di diametro e 4 mm di spessore, corrispondente al fondo ceramico sotto lo strato metallico.

Certo, non è stato tutto rose e fiori. Abbiamo notato alcune non uniformità nell’intensità del segnale. Un po’ era dovuto all’auto-assorbimento dei raggi X muonici nel materiale ceramico stesso (quelli emessi dal centro devono attraversare più materiale per uscire). Un’altra causa erano alcuni “canali morti” nei nostri rivelatori CdTe-DSD, piccoli problemi di connessione che hanno causato una perdita di segnale in alcune zone. Infine, anche la forma non perfettamente simmetrica del fascio di muoni al J-PARC ha giocato un ruolo.

Ma questi sono problemi risolvibili! Stiamo già lavorando su nuovi rivelatori CdTe-DSD senza canali morti, su correzioni per l’auto-assorbimento e su metodi per affinare la ricostruzione 3D tenendo conto della forma del fascio. L’importante è che abbiamo dimostrato la fattibilità dell’imaging 3D a profondità controllata. Siamo riusciti a “vedere” la composizione elementare dello strato ceramico del crogiolo, distinguendola da ciò che c’era sopra!

Un Futuro Luminoso per l’Archeologia (e non solo)

Questa tecnica è una vera e propria rivoluzione. È l’unico metodo non distruttivo e non invasivo capace di profilare elementi leggeri fino a diversi millimetri di profondità e di farlo in 3D. Immaginate le possibilità: analizzare le interazioni tra strati di metallo, smalto e corpo ceramico; svelare le tecniche di raffinazione, lavorazione e decorazione dei metalli nel periodo Edo; studiare le decorazioni stratificate nelle ceramiche antiche o le strutture interne di oggetti complessi o cavi.

Potremmo finalmente capire meglio l’ingegno degli artigiani del passato, scoprire segreti nascosti per secoli e conservare questi tesori per le generazioni future con una consapevolezza tutta nuova. L’imaging elementare 3D basato sui raggi X muonici ha un potenziale enorme e sono convinto che diventerà uno strumento fondamentale per la scienza dei materiali e, soprattutto, per l’archeologia.

È un po’ come avere degli occhiali speciali che ci permettono di leggere le storie inedite che gli oggetti del passato hanno da raccontarci. E io non vedo l’ora di scoprire quali altre meraviglie riusciremo a svelare!

Fonte: Springer Nature