Dans cette illustration, une série de cinq détecteurs de muons de forage sont déployés dans un puits horizontal sous un réservoir de dioxyde de carbone. Crédit :Laboratoire national du Nord-Ouest du Pacifique
Invisible à l'oeil nu, Les muons sont des particules élémentaires créées par les collisions de rayons cosmiques avec des molécules de la haute atmosphère. Ces muons rayonnent constamment sur la surface de la Terre sous divers angles. Parce que les muons traversent les matériaux, les scientifiques depuis les années 1960 se sont tournés vers eux pour « voir » l'intérieur des structures, comme les pyramides de Gizeh.
Maintenant les muons, autrefois utilisé pour explorer l'intérieur des pyramides et des volcans, permettent aux chercheurs de voir les profondeurs du sous-sol grâce à une avancée technologique du PNNL.
En plaçant un équipement de détection - de la taille d'une petite voiture - à côté d'une structure, comme une pyramide, les chercheurs peuvent mesurer des anomalies dans le flux de muons qui le traversent. Les anomalies, en particulier les changements du nombre de muons frappant les détecteurs chaque seconde, montrent un changement de densité au sein de la structure ou de l'objet. Dans le cas d'une pyramide, des anomalies indiquaient la présence de cryptes ou de chambres cachées.
En raison de leur grande taille, les détecteurs de muons actuels ne peuvent imager le sous-sol que s'ils sont placés dans des mines ou des tunnels souterrains. Pour être utilisé efficacement pour créer des images 3D de panaches de dioxyde de carbone souterrains ou de réservoirs de pétrole, et éventuellement être capable de suivre les changements dans le temps, les détecteurs de muons ont besoin d'un moyen d'aller plus loin et de "voir" davantage. Mais comment obtenir un détecteur de la taille d'une petite voiture à des milliers de mètres sous terre ?
Les chercheurs du PNNL et leurs partenaires ont créé un détecteur de muons de la taille d'un trou de forage, d'un diamètre de seulement cinq pouces et d'une longueur d'environ deux pieds, qui peut être inséré profondément dans la terre. Ce dispositif unique en son genre, financé par le DOE Office of Fossil Energy (Offsite link) dans le cadre du Subsurface Technology and Engineering Research (SubTER) Crosscut, est une avancée révolutionnaire pour l'imagerie de la densité souterraine.
Prototype du détecteur de muons de la taille d'un forage. Crédit :Laboratoire national du Nord-Ouest du Pacifique
Sans surprise, la construction d'un tel détecteur et les méthodes informatiques pour traduire les anomalies de muons en images de densité ont nécessité une participation active des partenaires :
Les grands détecteurs existants abritent plusieurs plans de scintillateurs, des couches d'un matériau qui produisent des éclairs de lumière lorsqu'ils sont frappés par un muon. Le premier prototype de détecteur de muons de forage se compose de 30 tiges scintillantes horizontales longues en deux couches et de 60 tiges perpendiculaires courtes en deux couches, fibres optiques, capteurs de lumière, et l'électronique pour détecter chaque muon qui traverse l'appareil. Plusieurs simulations informatiques de trajectoires de muons ont été réalisées pour sélectionner la géométrie optimale des différentes couches. Le détecteur compte les muons mais détermine également leurs trajectoires, ce qui est nécessaire pour construire une image de densité 3D.
Le prototype achevé a été déployé dans le laboratoire souterrain peu profond du PNNL pour un premier test réussi en mai 2016. Il a ensuite été envoyé au LANL début juin pour être testé dans un tunnel où il collectera des données pendant deux mois. L'équipe de recherche comparera ces données à celles de deux détecteurs plus grands développés par LANL et SNL déployés dans le même tunnel.
Les conceptions du deuxième prototype sont bien avancées. Sur la base des enseignements tirés du premier prototype, Chercheurs du PNNL, en étroite collaboration avec l'Université d'Hawaï, conçoivent un instrument mis à jour avec une plus grande sensibilité et des commandes d'orientation dans les forages verticaux et horizontaux.
