Cómo la imagen de neutrones revela secretos ocultos de fósiles y artefactos

Cocodrilo destrozado. Formalmente, Confractosuchus. Fue descubierto en Australia cuando una excavadora que limpiaba una roca rompió una piedra en pedazos. Porciones expuestas de la roca fragmentada dejaron en claro que había fósiles en su interior, pero no había señales inmediatas de que este descubrimiento revelara más tarde una instantánea sin precedentes de la vida en el período cretácico.

El paleontólogo Matt White de la Universidad de New England en Armidale, Australia, y sus colegas organizaron que la roca llena de fósiles fuera escaneada con una tomografía computarizada de rayos X. Al igual que un escáner médico de CT, este método toma múltiples imágenes de un objeto que luego pueden ser ensambladas en un mapa tridimensional del interior. El equipo esperaba utilizar los escaneos como guías para aislar huesos individuales en el fósil sin tener que removerlos, y luego manipular las imágenes tridimensionales para reconstruir virtualmente el cocodrilo destrozado.

Pero una sección del puzzle fósil les causó problemas. Las piedras ricas en hierro que rodeaban los huesos dificultaban obtener buenas imágenes de rayos X. Así que los investigadores decidieron intentar otro enfoque.

Enviaron el trozo misterioso al químico Joseph Bevitt del Australian Centre for Neutron Scattering en Sydney, quien se especializa en utilizar partículas subatómicas de neutrones para imaginar objetos antiguos. Junto a los huesos de cocodrilo esperados, Bevitt descubrió uno que parecía ser un hueso de pata de dinosaurio. Este estaba en la porción de roca donde se encontraría la cavidad estomacal del cocodrilo.

“Cuando vi el resultado del escaneo con neutrones y el pequeño fémur de dinosaurio, me quedé temblando de asombro”, dice Bevitt, “tanto en admiración como en duda por lo que habíamos visto.”

Años de análisis además de más escaneos de rayos X y neutrones confirmaron finalmente que los restos de una especie de dinosaurio previamente desconocida, mordida en pedazos y marcada con dientes, se encontraban en el estómago del cocodrilo. El hallazgo le valió al cocodrilo destrozado la segunda mitad de su nombre: sauroktonos, que significa asesino de lagartos. White, Bevitt y sus colegas publicaron su descubrimiento tanto de la especie de cocodrilo recién identificada como del dinosaurio nunca antes visto en el interior el año pasado en Gondwana Research (SN: 3/26/22, p. 5).

Es un descubrimiento asombroso: Confractosuchus sauroktonos, el cocodrilo destrozado asesino de lagartos, y los restos de su última comida, su víctima dinosaurio, congelados en piedra hace 100 millones de años. Es una escena que tal vez nunca habría salido a la luz de no ser por la tomografía con neutrones. Aunque los neutrones se han utilizado para imágenes en aplicaciones industriales y militares desde poco después de su descubrimiento en 1932, solo en las últimas décadas estas partículas subatómicas han comenzado a proporcionar a los científicos vistas sin precedentes del interior de fósiles y antigüedades.

Hubo un tiempo en el que estudiar fósiles y artefactos a menudo implicaba dañarlos o destruirlos. Se diseccionaban los restos momificados. Se abrían contenedores sellados. Se extraían fósiles de la roca. En algunos casos, las muestras que contenían fósiles se trituraban, capa por capa, para crear imágenes de porciones secuenciales en rodajas que revelaban las estructuras fosilizadas en su interior.

Afortunadamente, los rayos X ofrecen perspectivas no destructivas. Como una forma de radiación electromagnética de alta energía, los rayos X interactúan con los campos eléctricos y magnéticos asociados con partículas cargadas eléctricamente. En la consulta de un médico, cuando un técnico dirige un haz de rayos X hacia una pierna rota, la luz se dispersa o se absorbe por los campos de los electrones alrededor de los átomos en la pierna. Cuanto más denso sea un material, más electrones habrá en él, y menos eficazmente los rayos X podrán atravesarlo. Es por eso que las porciones de mayor densidad del cuerpo, como los huesos, se destacan más en las imágenes de rayos X que las porciones de menor densidad. La piel, los músculos y otros tejidos blandos son prácticamente invisibles porque los rayos X los atraviesan directamente.

Los rayos X han permitido visualizar el interior oculto de los artefactos desde que se descubrió la radiación en 1895. Pero después de que se desarrollara la tomografía computarizada de rayos X computarizada en la década de 1970, se convirtió en el enfoque estándar para estudiar objetos en paleontología y arqueología (SN: 12/18/21 & 1/1/22, p. 44). El escaneo de rayos X se ha convertido en la alternativa moderna a la trituración en la que los científicos del siglo XIX a menudo confiaban. Ejemplos recientes incluyen escaneos de animales momificados del antiguo Egipto (SN: 9/12/20, p. 17); inscripciones recién descubiertas en el mecanismo de Anticitera de 2.000 años de antigüedad, un antiguo calculador astronómico griego utilizado para predecir eclipses y otros eventos celestiales (SN: 12/2/06, p. 357); y un estudio de la cavidad cerebral en un cráneo de mono de 20 millones de años de antigüedad (SN: 9/14/19, p. 11). Muchos grandes museos e instituciones de investigación tienen sus propios escáneres de rayos X CT que son prácticamente los mismos sistemas que utilizan los médicos.

Por todo lo que la imagen de rayos X ha revelado sobre el pasado, aún tiene algunas desventajas. Los rayos X no pueden penetrar un material particularmente denso, como el plomo o capas gruesas de otros metales, para ver un objeto oculto en su interior. Por otro lado, un objeto hecho de material de baja densidad, como tejido blando, será invisible a los rayos X.

Los neutrones pueden llenar el cuadro.

Los neutrones, como su nombre lo indica, son neutros. Estas partículas subatómicas no tienen carga eléctrica, por lo que los haces de neutrones no notan los electrones en órbita alrededor de los átomos. En cambio, los neutrones pasan directamente por los electrones y golpean los núcleos llenos de protones y neutrones en el centro de los átomos. Los neutrones entrantes pueden rebotar en el núcleo de un átomo o ser absorbidos por el átomo. Las interacciones son más complicadas que con los rayos X y dependen de la velocidad a la que se mueven los neutrones y de complejas interacciones mecánicas cuánticas.

Los neutrones adecuados para la tomografía se producen con aceleradores de partículas relativamente masivos o como subproductos de reactores nucleares. Los neutrones se mueven relativamente despacio, con energías un billonésima parte de los rayos X en los escáneres de tomografía computarizada. Estos neutrones lentos interactúan fuertemente con algunos materiales de baja densidad que los rayos X atraviesan sin problemas, como el litio, el boro y el hidrógeno.

"El agua para los neutrones es como el plomo para los rayos X", debido a los átomos de hidrógeno, dice Bevitt. Demasiado material rico en hidrógeno puede ocultar detalles de los haces de neutrones. Pero de la misma manera en que una cadera de metal se destaca en una radiografía médica, el hidrógeno también puede hacer que algunas características sean visibles en las imágenes de neutrones. El plomo, el hierro y el cobre, por otro lado, son esencialmente transparentes a los neutrones de baja energía.

El físico Jacob LaManna del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Gaithersburg, Md., le gusta demostrar las capacidades comparativas de la imagen de neutrones y rayos X con una "naturaleza muerta" de lirios asiáticos escondidos dentro de un barril hueco con paredes gruesas de plomo. "Los neutrones pueden atravesar el plomo fácilmente y luego puedes ver básicamente toda el agua en la estructura vascular de las flores", dice LaManna. Una radiografía solo mostraría la superficie opaca del barril.

La capacidad de deslizarse a través de materiales densos que bloquean los rayos X ha convertido la imagen de neutrones en una tecnología importante para las pruebas industriales de automóviles y aviones. Las partículas pueden revelar el flujo de aceite rico en hidrógeno dentro de los bloques del motor o exponer defectos en las fundiciones de metal. Desde la década de 1970, los laboratorios nacionales de EE. UU. han confiado en la imagen de neutrones para desarrollar y mantener las reservas de armas nucleares del país; los neutrones son herramientas poderosas de control de calidad para mapear el interior de partes de bombas densas y para estudiar explosivos de fusión ricos en hidrógeno en componentes de ojivas.

En el NIST, LaManna dirige la instalación de Tomografía de Neutrones y Rayos X, o NeXT, que puede ejecutar simultáneamente imágenes de rayos X y neutrones. Las vistas duales proporcionan información distinta pero complementaria sobre cosas que contienen combinaciones de materiales, como las células de combustible de hidrógeno, los materiales de construcción y las muestras de suelo, que sería difícil de estudiar con solo uno u otro enfoque de imágenes.

En las últimas décadas, a medida que se ha difundido la palabra sobre las capacidades, un número creciente de paleontólogos, arqueólogos y antropólogos han agregado la imagen de neutrones a sus cajas de herramientas analíticas. A pesar de que la imagen de neutrones ha existido por un tiempo, "somos realmente los nuevos en el vecindario", dice Bevitt.

Además de revelar varios huesos de dinosaurios en el vientre de un cocodrilo destrozado, junto con el fémur que llamó inicialmente la atención de Bevitt, la tomografía computarizada de neutrones ha permitido a los investigadores estudiar el tejido que envuelve a las momias de gatos sin desenvolverlos, encontrar signos de pegamentos recientemente aplicados que mantienen juntos artefactos fraudulentamente ensamblados, y descubrir el corazón vertebrado más antiguo jamás encontrado, en un pez de 380 millones de años.

El paleontólogo James Clark coloca un par de cráneos de cocodrilo fosilizados sobre la mesa de su laboratorio en el sótano de la Universidad George Washington en Washington, D.C. Los fósiles de 165 millones de años son opacados por un cráneo de caimán moderno cercano. Mientras que el cráneo de caimán es aproximadamente tan largo como mi antebrazo, los cráneos de cocodrilo fosilizados son solo un poco más grandes que la punta de mi pulgar.

Los frágiles cráneos, que Clark recolectó en México hace cuatro décadas, están incrustados en masas endurecidas de sedimento con solo unos pocos huesos y dientes asomando. A primera vista, las muestras se asemejan a bolas de chicle masticado, pero hechas de barro pegajoso rico en hierro. "Si intentas hacer una radiografía de eso, básicamente terminarás con ... estas chispas brillantes por todo el hierro", dice Clark. El resultado es un difuminado y rayado que oculta las estructuras esqueléticas.

Clark podría haber contratado preparadores para limpiar el sedimento que rodea los delicados huesos. Pero es un proceso lento y costoso que puede terminar dañando el espécimen, dice.

No fue hasta 2019 que finalmente pudo echar un buen vistazo a los huesos ocultos. Después de un seminario donde conoció a Bevitt, Clark se dio cuenta de que la exploración de neutrones podría ser la respuesta. El evento condujo a una presentación a LaManna y a las instalaciones del NIST a 25 kilómetros de distancia en Maryland.

LaManna dice que debido a que el hierro es prácticamente transparente a los neutrones, "es mucho más fácil aislar solo la parte fosilizada del objeto". Las imágenes de las exploraciones de CT de neutrones del NIST revelaron los detalles intrincados de los diminutos huesos. "Luego puedes comenzar a resolver rompecabezas digitales con los fragmentos óseos para tratar de reconstruir la criatura en particular".

Aunque el material alrededor de un fósil u objeto puede presentar un problema para los rayos X, a veces es el propio objeto el que causa el inconveniente. Los tejidos, las fibras, la madera y otros materiales de baja densidad pueden ser difíciles de resolver con rayos X, y los metales dentro de un objeto pueden bloquear otras características a la vista. Ambos desafíos afectan a los investigadores que estudian antigüedades como las hachas-dagas de 3,000 años de antigüedad que vi en la Galería de Arte Freer del Smithsonian en Washington, D.C.

Estas armas ceremoniales de la dinastía Shang de China están suspendidas en un estuche de vidrio vertical, donde pude acercar mi nariz a solo unos centímetros de las hojas de jade y los mangos de bronce incrustados de turquesa. Descubrí que era mejor inclinarme cerca para poder apreciar los intrincados patrones azul-verde de las piedras preciosas hundidas en el metal.

Ariel O'Connor, conservadora de arte del Smithsonian, le encantaría saber cómo se ensamblaron las hachas-dagas. La TC de rayos X no funciona en la combinación de piedra, metal, fibras y otros materiales que pueden estar presentes. La imagen de neutrones podría ayudar, pero conlleva un riesgo. Los haces de neutrones vuelven las cosas radioactivas. No siempre está claro de antemano qué tan radioactivo se volverá una muestra, pero los materiales a menudo superan el nivel de radiactividad que es seguro para que los humanos lo manipulen, incluso para ver en un museo, durante días o semanas después de haber estado expuesto a los haces de neutrones.

"En realidad podríamos hacer cálculos y determinar cuál será el elemento problemático y durante cuánto tiempo sería radiactivo y en qué cantidad", dice LaManna. "[Pero,] en el caso del jade, donde es un material que simplemente se excavó completamente del suelo, puede contener todo tipo de cosas que no necesariamente esperarías". Eso hace que sea difícil predecir la radioactividad residual.

Entonces, O'Connor decidió hacer una prueba. Ella y sus colegas hicieron una réplica rudimentaria de una antigua hacha-daga. Utilizaron jade de Wyoming en lugar del jade chino antiguo, pilas de latón de una placa de patada repurpuesta para simular el mango de bronce, y algunos hilos de seda similares al tipo que sostiene algunas hachas-dagas de la dinastía Shang juntas. Luego, LaManna escaneó la daga con rayos X y neutrones en el NIST.

Como se esperaba, el latón era completamente opaco a los rayos X, ocultando características de la construcción de la réplica. Pero el haz de neutrones reveló detalles clave, incluyendo una vista del jade insertado dentro del mango de latón e incluso hilos de seda individuales.

Para probar cómo la imagen de neutrones podría funcionar en una hacha-daga, los investigadores hicieron una réplica de jade, pilas de placas de latón e hilo de seda. En una radiografía de la réplica (arriba), el eje está oculto por el latón, por lo que el equipo utilizó un escaneo de neutrones para obtener una imagen de la parte delineada en amarillo. Esa imagen (abajo) reveló detalles que no eran visibles en las escaneos de rayos X.

En cuanto a la radiactividad residual, la réplica no mostró ninguna de importancia nueve días después. En general, Bevitt dice que la radiación residual disminuye rápidamente. Un fósil que estudió permaneció radiactivo durante tres meses debido a la presencia de radio, pero la mayoría de las muestras son seguras para enviar de regreso a laboratorios y museos en unas pocas semanas o menos.

Aún así, con esa incertidumbre y preguntas sobre qué tan químicamente similar es la réplica a las verdaderas hachas-dagas, O'Connor aún no está lista para arriesgarse a escanear los artefactos.

"Como conservadora, se me encomienda la preservación y seguridad de estos notables objetos de 3,000 años de antigüedad para garantizar que permanezcan para las futuras generaciones. Si una técnica analítica como la imagen de neutrones pudiera responder a nuestras preguntas de investigación pero alteraría los objetos y los impediría ser accesibles" debido a la radiactividad inducida, dice O'Connor, "buscaremos otras opciones".

A pesar de la creciente popularidad de la tomografía de neutrones para estudiar fósiles y antigüedades, la TC de rayos X sigue siendo la opción de imagen preferida para la mayoría de los investigadores. En la década de 1990, se publicaron anualmente algunas docenas de documentos académicos sobre el uso de neutrones para estudiar el pasado; recientemente, han sido cientos por año. Sin embargo, el número de publicaciones relacionadas con la obtención de imágenes de fósiles y artefactos con TC de rayos X se cuenta por miles cada año.

Most of the time, X-rays suffice, and the advantages are clear. They offer high resolution to uncover small details with no lingering radioactivity. X-ray CT machines are also widely available because they’ve been used in medical settings for over 50 years, and they’re small enough to fit in most labs and museum research spaces.

At the moment, there are only a few dozen neutron tomography facilities on the planet. The particle accelerators and nuclear reactors that produce suitable neutrons are large, expensive and heavily regulated. Only a handful of the facilities worldwide are available to analyze fossils and antiquities, according to Burkhard Schillinger, a physicist at the Technical University Munich who runs the neutron imaging beamline there. He ticks off a few facilities in the United States, a half dozen in Europe and one in Australia.

Still, LaManna says the lack of access doesn’t seem to be the bottleneck in widespread adoption of the technique. Along with the concerns over lingering radioactivity, the novelty of the technology and general lack of awareness may stand in the way.

“I try to recruit as broad a range of users as I can” to submit fossils and antiquities for imaging at NIST, LaManna says. “It’s not like they’re getting pushed out of the way” to make space for more conventional neutron studies. “It’s just more of getting the correct people interested to then write proposals, come to us [and] work with us to get beam time.”

In the last decade, Australia-based Bevitt has spread the word on neutron tomography through lectures and outreach around the world. Most of the experts contacted for this story trace their initial interest in neutron imaging to Bevitt’s influence. Many researchers in his home country have already embraced the technology.

“Basically, in Australia, when a new dinosaur is discovered,” Bevitt says, “the first thing that happens is it comes to our lab.”

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