Tracce di particelle subatomiche nella Città di Davide: perché la tomografia muonica è l'unico modo per scavare a Gerusalemme

Nelle profondità di uno stretto e umido tunnel di drenaggio risalente al periodo del Secondo Tempio, una serie di scatole rettangolari giace nel silenzio assoluto. Non emettono ronzii, non irradiano radiazioni e di certo non sembrano il futuro dell'archeologia. Eppure, per mesi, questi rilevatori hanno contato silenziosamente l'arrivo di particelle subatomiche chiamate muoni: cugini pesanti dell'elettrone, generati dai raggi cosmici che colpiscono l'alta atmosfera terrestre. Sono in attesa che il cielo cada, o più precisamente, che cadano le parti di cielo che riescono a filtrare attraverso 20 metri di solido calcare e secoli di detriti accumulati.

Il progetto nella Città di Davide a Gerusalemme rappresenta una convergenza tra la fisica delle alte energie e uno dei siti archeologici più sensibili del pianeta. In una città in cui spostare una singola pietra può scatenare un incidente diplomatico o una sommossa locale, la capacità di "vedere" attraverso la terra senza rompere la superficie non è solo un vantaggio scientifico; è una necessità burocratica. Misurando le "ombre" proiettate dalla roccia densa rispetto al maggiore flusso di particelle che attraversa gli spazi vuoti, i ricercatori stanno tentando di mappare l'architettura sotterranea di una città che è stata costruita, distrutta e sepolta una dozzina di volte.

La tomografia muonica — o muonografia — viene spesso venduta come "visione a raggi X per la terra", ma la realtà è molto più tediosa e tecnicamente impegnativa. A differenza di una radiografia medica, che richiede millisecondi, una scansione muonica di un sito storico richiede la pazienza di un geologo. Le particelle sono così rare che i rilevatori devono rimanere in funzione per mesi per raccogliere dati sufficienti a distinguere un vero vuoto archeologico dal semplice rumore statistico. A Gerusalemme, dove il sottosuolo è un reticolo caotico di cisterne bizantine, fognature erodiane e grotte carsiche naturali, la sfida non è solo trovare un buco, ma capire a quale secolo appartenga.

Il compromesso ad alta energia della pala subatomica

Per capire perché i fisici stiano trasportando rilevatori di particelle in antiche fogne, bisogna guardare ai limiti degli strumenti geofisici standard. Il georadar (GPR) è il cavallo di battaglia del settore, ma è notoriamente volubile negli ambienti urbani. Fatica con terreni altamente conduttivi e raramente penetra più di qualche metro con una risoluzione significativa. A Gerusalemme, gli obiettivi di interesse si trovano spesso a una profondità compresa tra 15 e 30 metri, racchiusi nel pesante calcare delle colline della Giudea.

I muoni risolvono il problema della profondità grazie alla loro pura energia cinetica. Queste particelle vengono create quando i raggi cosmici — per lo più protoni ad alta velocità provenienti dall'esterno del nostro sistema solare — si scontrano con le molecole di azoto e ossigeno nell'atmosfera. Questa collisione crea una pioggia di particelle secondarie, inclusi i muoni, che si abbattono su ogni metro quadrato della superficie terrestre a una velocità di circa 10.000 al minuto. Poiché sono 207 volte più pesanti degli elettroni e si muovono a velocità prossime a quelle della luce, non interagiscono fortemente con la materia. Possono attraversare centinaia di metri di roccia, sebbene vengano gradualmente assorbiti o deviati a seconda della densità del materiale che incontrano.

La connessione europea e la catena di approvvigionamento del silicio

Mentre i titoli dei giornali si concentrano sul mistero biblico, l'hardware rivela una storia industriale radicata nella fisica europea delle alte energie. I rilevatori utilizzati in queste indagini sono diretti discendenti delle massicce camere di tracciamento del Large Hadron Collider del CERN di Ginevra. Nello specifico, molte di queste unità portatili si basano sui rilevatori "Micromegas" (Micro-Mesh Gaseous Structure), una tecnologia introdotta dai fisici francesi del CEA Saclay. Questi dispositivi sono progettati per rilevare la debole scia di ionizzazione lasciata da un muone mentre attraversa una camera riempita di gas.

C'è un'ironia nella catena di approvvigionamento: la stessa tecnologia di gestione del silicio e del gas utilizzata per cacciare il bosone di Higgs viene ora calibrata per ritrovare gli angoli mancanti di una fortificazione di 2.000 anni fa. Per la politica industriale europea, questa è una rara storia di successo a "duplice uso". Lo sviluppo di rilevatori di particelle ad alta precisione e basso consumo ha applicazioni che vanno ben oltre l'archeologia, estendendosi al monitoraggio delle scorie nucleari, alla previsione delle eruzioni vulcaniche e persino alla "scansione industriale" degli altiforni, dove gli ingegneri devono vedere attraverso l'acciaio fuso e i mattoni refrattari senza dover spegnere l'impianto.

Tuttavia, il passaggio dal laboratorio al tunnel di drenaggio è raramente fluido. La Città di Davide è un ambiente umido e termicamente instabile: l'esatto opposto di una camera bianca a clima controllato. Progettare questi rilevatori in modo che sopravvivano all'umidità e alla polvere di uno scavo archeologico attivo senza perdere la calibrazione è dove risiede solitamente la vera "svolta". Si tratta meno della fisica, che è nota sin dagli anni '30, e più della robustezza dell'elettronica sensibile.

Perché Gerusalemme è il banco di prova definitivo per la tecnologia non invasiva

Nella maggior parte delle parti del mondo, se un archeologo vuole sapere cosa c'è sotto una collina, ottiene un permesso e una pala. A Gerusalemme, il terreno è denso di significato politico e religioso. La Città di Davide, situata appena a sud del Monte del Tempio/Haram al-Sharif, è uno dei lembi di terra più contesi sulla Terra. Qualsiasi scavo tradizionale qui è esaminato da organismi internazionali, residenti locali e autorità religiose. Il vincolo del "non scavare" non è solo una preferenza; è un limite invalicabile della realtà geopolitica.

Questo rende la regione un incubatore perfetto per la tecnologia non invasiva. Se la muonografia può dimostrare il suo valore qui, può funzionare ovunque. Ma la tecnica ha i suoi detrattori. Gli scettici nella comunità archeologica sottolineano che, sebbene i muoni possano trovare un "vuoto", non possono distinguere tra una tomba reale e una fessura naturale nel calcare. La risoluzione è attualmente misurata in metri, non in centimetri. Potresti trovare una stanza, ma non troverai le iscrizioni che ti dicono chi vi è stato sepolto.

C'è anche la questione del "risultato negativo". Nella scienza, sapere che non c'è nulla è prezioso. Nel mondo ad alto rischio dell'archeologia di Gerusalemme, dove i finanziamenti seguono spesso la promessa di scoperte spettacolari, una scansione muonica di sei mesi che conclude che "il terreno è solido" è difficile da vendere ai donatori e al pubblico. La tecnologia richiede un cambiamento nel modo in cui l'archeologia viene finanziata, allontanandosi dal modello della "caccia al tesoro" verso una mappatura a lungo termine del paesaggio sotterraneo basata sui dati.

Il divario tra ambizione cosmica e realtà fangosa

L'uso dei muoni a Gerusalemme segue il successo di alto profilo del progetto "ScanPyramids" in Egitto, che nel 2017 ha identificato un "grande vuoto" precedentemente sconosciuto all'interno della Grande Piramide di Cheope. Quella scoperta ha convalidato la tecnologia agli occhi del pubblico, ma ha anche evidenziato i limiti. Anni dopo, non sappiamo ancora esattamente cosa sia quel vuoto, perché la stessa non invasività che ne ha permesso la scoperta ci impedisce di entrarvi per guardare.

A Gerusalemme, i ricercatori hanno a che fare con un ambiente molto più confuso. Le piramidi sono blocchi di pietra in gran parte coerenti; Gerusalemme è un miscuglio di materiali diversi. I fisici devono tenere conto delle diverse densità del terreno di riempimento, delle pietre da costruzione e del calcare poroso della Giudea. Ciò richiede complesse simulazioni al computer — spesso utilizzando il toolkit "Geant4" sviluppato al CERN — per modellare come le particelle si comportano mentre transitano attraverso la topografia specifica del sito.

Gli attuali set di dati provenienti dalla Città di Davide sono in fase di elaborazione, ma le prime indicazioni suggeriscono che la tecnologia stia identificando con successo strutture note, come il famoso Tunnel di Siloam. La vera prova sarà se riuscirà a indicare qualcosa di inaspettato: un sistema di canali nascosto o un'anomalia strutturale che confermi o confuti le teorie storiche esistenti sulla gestione idrica antica della città.

L'Autorità per le Antichità di Israele otterrà probabilmente le sue mappe e i fisici i loro punti dati. Se quelle mappe riusciranno effettivamente a risolvere una qualsiasi delle antiche dispute della città è una questione completamente diversa. Bruxelles ha fornito la tecnologia di rilevamento; Gerusalemme fornirà l'ambiguità.