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Un detector instalado en uno de los laboratorios subterráneos más profundos del mundo muestra cómo partículas producidas en la atmósfera pueden ayudar a científicos a investigar grandes volúmenes de roca y planear experimentos sensibles en el interior de una montaña.
Investigadores chinos usaron un detector de una tonelada instalado en el Laboratorio Subterráneo de Jinping, a cerca de 2.400 metros bajo una montaña en el suroeste de China, para mapear la estructura rocosa sobre la instalación.
El equipo registró muones generados por la interacción de rayos cósmicos con la atmósfera y permitió reconstruir diferencias en la cantidad de materia atravesada por estas partículas en un alcance lateral de aproximadamente tres kilómetros.
Los resultados fueron presentados en un preprint disponible en arXiv el 4 de junio de 2026.
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El trabajo aún no había pasado, hasta la divulgación, por todas las etapas de revisión por pares.
En lugar de mostrar una imagen directa del interior de la montaña, el método produce un mapa de opacidad, similar al principio de una radiografía, a partir de la reducción del flujo de muones que logra llegar al laboratorio.
El estudio también aclara que el detector no fue instalado específicamente en junio de 2026.
El prototipo, desarrollado para el Experimento de Neutrinos de Jinping, ya acumulaba datos desde 2017.
El análisis reunió 1.338,6 días efectivos de observación para determinar la dirección de llegada de las partículas y estimar cuánto material atravesaron antes de alcanzar el ambiente subterráneo.
Cómo los muones atraviesan una montaña
Los muones son partículas elementales producidas principalmente cuando rayos cósmicos de alta energía impactan núcleos presentes en la atmósfera terrestre.
Aunque tienen una existencia muy corta, viajan a velocidades cercanas a la de la luz y pueden alcanzar la superficie antes de decaer.
Por ser más pesados que los electrones y llegar a la Tierra con alta energía, algunos muones logran atravesar grandes volúmenes de suelo, concreto o roca.
Durante el trayecto, pierden energía por diferentes interacciones con la materia.
Cuanto mayor es el grosor o la densidad del material encontrado, menor tiende a ser la cantidad de partículas que llega al otro lado.
La muografía utiliza justamente esa variación.
Los detectores cuentan los muones provenientes de diferentes direcciones y comparan el flujo observado con el número esperado en la superficie.
Una reducción más intensa puede indicar que las partículas cruzaron un camino más largo o una región con mayor cantidad de materia.
Este principio ya se aplica en estudios de volcanes, estructuras arqueológicas y grandes formaciones geológicas.
En Jinping, sin embargo, la profundidad representó una condición inusual: los investigadores intentaron realizar la técnica bajo una cobertura rocosa de escala kilométrica, donde solo una pequeña parte de los muones de mayor energía logra llegar.
Detector de una tonelada registra la dirección de las partículas
El centro del equipo es un recipiente esférico de acrílico con radio de 645 milímetros, equivalente a cerca de 1,3 metros de diámetro.
Dentro de él hay una tonelada de líquido centelleador, material que emite luz cuando una partícula cargada atraviesa su interior.
Al pasar por el detector, el muon deposita energía en el líquido y produce fotones.
Treinta tubos fotomultiplicadores distribuidos alrededor de la esfera registran estas señales luminosas y las convierten en pulsos eléctricos.
La diferencia en el instante y en la intensidad de la luz captada por cada sensor ayuda al sistema a reconstruir la trayectoria de la partícula.
De acuerdo con el preprint, el formato esférico ofrece una aceptación casi uniforme en diferentes direcciones.
La resolución angular media obtenida por los investigadores fue de aproximadamente 4,5 grados, medida que representa la precisión usada para estimar de dónde llegó cada muon.
El conjunto está instalado dentro de un tanque de acero inoxidable lleno de agua purificada.
Una pared de plomo con cinco centímetros de espesor añade protección contra la radiación natural del ambiente.
El aparato fue desarrollado originalmente para validar tecnologías y medir niveles de radiactividad relacionados con el futuro Experimento de Neutrinos de Jinping.
Muografía compara datos de partículas y relieve por satélite
Para transformar los registros en información sobre la montaña, el equipo combinó datos experimentales, modelos del flujo de muones en la superficie y simulaciones del comportamiento de las partículas dentro de la roca.
Los cálculos se realizaron con el Geant4, plataforma utilizada para simular el paso de partículas por la materia.
El relieve de Jinping fue representado con datos del SRTM3, levantamiento topográfico obtenido por satélite.
El modelo incluyó un área con radio de diez kilómetros alrededor del laboratorio y consideró la montaña compuesta predominantemente por mármol, con parámetros de densidad y composición definidos por los investigadores.
A partir de este escenario, el sistema calculó cuántos muones deberían sobrevivir en cada dirección y comparó la previsión con el flujo efectivamente medido en el subsuelo.
Esta relación permitió estimar la llamada profundidad oblicua, es decir, la cantidad de materia atravesada a lo largo de cada trayectoria, que puede ser mayor que la profundidad vertical del laboratorio.
La reconstrucción cubrió la estructura de la montaña alrededor de la primera fase del complejo en un alcance lateral de hasta tres kilómetros.
Según los autores, los resultados presentaron concordancia con el relieve derivado de satélite y no revelaron variaciones significativas de densidad dentro de la sensibilidad estadística alcanzada por el experimento.
Esto no significa que toda la roca sea perfectamente uniforme, sino que el análisis no identificó anomalías relevantes dentro de los límites del método utilizado.
Laboratorio Subterráneo de Jinping ocupa área excavada en China
El Laboratorio Subterráneo de Jinping está ubicado bajo la montaña del mismo nombre, en la Prefectura Autónoma de Liangshan Yi, provincia de Sichuan.
La instalación fue construida entre dos túneles viales de aproximadamente 17,5 kilómetros que atraviesan la región.
La primera fase entró en operación en 2010, con cerca de 4.000 metros cúbicos.
La segunda etapa, conocida como CJPL-II o Instalación Subterránea Profunda y de Fondo de Radiación Ultrabajo, amplió el complejo.
El preprint describe el laboratorio como una estructura de aproximadamente 300 mil metros cúbicos, mientras que informaciones institucionales divulgadas en la inauguración de la expansión, en diciembre de 2023, indican capacidad total de 330 mil metros cúbicos para la segunda fase.
La expansión comenzó a ser construida en diciembre de 2020 por una asociación entre la Universidad Tsinghua y la empresa Yalong River Hydropower Development.
El lugar alberga o fue preparado para investigaciones sobre materia oscura, neutrinos, astrofísica nuclear y otros fenómenos que requieren ambientes con bajos niveles de interferencia.
La cobertura de roca reduce gran parte de la radiación cósmica que llega a los equipos.
Esta característica favorece la búsqueda de eventos raros, pero también hace necesario calcular con precisión los pocos muones capaces de atravesar la montaña, porque estas partículas pueden producir señales de fondo y afectar mediciones sensibles.
Datos de muones ayudan a planificar ocho áreas experimentales
Después de validar el modelo con las observaciones realizadas en la primera fase del laboratorio, los investigadores estimaron el flujo total de muones en las ocho áreas experimentales de CJPL-II.
Las previsiones fueron calculadas para los sectores A1, A2, B1, B2, C1, C2, D1 y D2.
Entre estos espacios se encuentran áreas asociadas al experimento PandaX, enfocado en la investigación de materia oscura; al CDEX, que también busca señales relacionadas con este tipo de materia; al JUNA, destinado a estudios de astrofísica nuclear; y al futuro Experimento de Neutrinos de Jinping.
Conocer el flujo esperado permite dimensionar protecciones, estimar ruidos y separar posibles eventos físicos de las señales provocadas por partículas cósmicas.
El trabajo también calculó la energía media de los muones para cada área, parámetro relacionado con la producción de neutrones cuando estas partículas interactúan con la roca y con los componentes de los detectores.
La experiencia no convierte el laboratorio en un escáner capaz de observar cualquier punto del planeta.
En la práctica, el conjunto funciona como un instrumento de muografía dirigido a la cobertura rocosa alrededor de Jinping.
Aun así, la investigación prueba el uso de partículas naturales para estudiar estructuras geológicas de gran tamaño sin perforar o emitir radiación artificial.
Con detectores más grandes y períodos más largos de recolección, la técnica podría ampliar la sensibilidad a diferencias de densidad, siempre que los resultados sean confirmados por nuevos estudios.
