Come la neutron imaging svela i segreti nascosti di fossili e manufatti.

Coccodrillo frantumato. Formalmente, Confractosuchus. È stato scoperto in Australia quando un bulldozer che stava sgombrando un masso ha rotto una pietra in pezzi. Porzioni esposte della roccia frantumata hanno chiarito che all'interno ci fossero fossili, ma non c'era segno immediato che questa scoperta avrebbe poi rivelato un'immagine senza precedenti della vita del Periodo Cretaceo.

Il paleontologo Matt White dell'Università di New England ad Armidale, Australia, e i suoi colleghi hanno organizzato la scansione con tomografia computerizzata a raggi X della roccia carica di fossili. Come una TAC medica, il metodo prende più immagini di un oggetto che possono essere assemblate in una mappa 3D dell'interno. Il team sperava di utilizzare le scansioni come guida per isolare le singole ossa nel fossile senza rimuoverle, quindi manipolare le immagini 3D per mettere virtualmente insieme il coccodrillo frantumato.

Ma una sezione del puzzle del fossile ha dato loro problemi. La pietra ricca di ferro che circondava le ossa rendeva difficile ottenere buone immagini a raggi X. Quindi i ricercatori hanno deciso di provare un'altra approccio.

Hanno inviato il pezzo misterioso al chimico Joseph Bevitt del Centro Australiano per la Diffrazione di Neutroni a Sydney, specializzato nell'utilizzo di particelle subatomiche di neutroni per ottenere immagini di oggetti antichi. Oltre alle ossa del coccodrillo previste, Bevitt ha scoperto una che sembrava una zampa di dinosauro. Si trovava nella parte della roccia in cui si sarebbe trovata la cavità dello stomaco del coccodrillo.

"Quando ho visto il risultato dei neutroni e il piccolo femore del dinosauro, ho tremato per lo shock", dice Bevitt, "sia in ammirazione che in dubbio su ciò che avevamo visto".

Anni di analisi più scansioni a raggi X e neutroni hanno alla fine confermato che i resti di una specie di dinosauro precedentemente sconosciuta, morsicata a pezzi e segnata da impronte dentali, si trovavano nella pancia del coccodrillo. La scoperta ha valso al coccodrillo frantumato la seconda metà del suo nome: sauroktonos, per "uccisore di lucertole". White, Bevitt e i loro colleghi hanno pubblicato la scoperta della nuova specie di coccodrillo e del dinosauro mai visto prima l'anno scorso nella rivista Gondwana Research (SN: 26/3/22, p. 5).

È una scoperta sorprendente: Confractosuchus sauroktonos, il coccodrillo frantumato uccisore di lucertole, e i resti del suo ultimo pasto, la vittima del dinosauro, congelati nella pietra 100 milioni di anni fa. È una scena che potrebbe non essere mai venuta alla luce se non fosse per la tomografia neutronica. Sebbene i neutroni siano stati utilizzati per l'imaging in applicazioni industriali e militari fin dalla scoperta del neutrone nel 1932, è solo negli ultimi decenni che queste particelle subatomiche hanno iniziato a fornire agli scienziati visioni senza precedenti all'interno di fossili e antichità.

C'è stato un tempo in cui lo studio dei fossili e degli artefatti spesso significava danneggiarli o distruggerli. Resti mummificati venivano dissezionati. Contenitori sigillati venivano aperti. I fossili venivano staccati dalla roccia. In alcuni casi, campioni contenenti fossili venivano macinati, strato dopo strato, per creare immagini di porzioni sequenziali in fette che rivelavano le strutture fossiliizzate all'interno.

Fortunatamente, i raggi X offrono visioni non distruttive. Come forma di radiazione elettromagnetica ad alta energia, i raggi X interagiscono con i campi elettrici e magnetici associati alle particelle cariche elettricamente. In uno studio medico, quando un tecnico applica un fascio di raggi X su una gamba rotta, la luce viene dispersa o assorbita dai campi degli elettroni intorno agli atomi della gamba. Più un materiale è denso, più elettroni sono presenti in esso e meno efficacemente i raggi X riescono a passare. Ecco perché le porzioni più dense del corpo, come le ossa, spiccano di più nelle immagini a raggi X rispetto alle porzioni a bassa densità. La pelle, i muscoli e altre parti molli sono essenzialmente invisibili perché i raggi X passano dritti.

I raggi X hanno offerto uno sguardo all'interno nascosto degli artefatti fin dalla scoperta della radiazione nel 1895. Ma dopo lo sviluppo della tomografia computerizzata a raggi X computazionalmente intensiva negli anni '70, è diventato il metodo standard per lo studio degli oggetti in paleontologia e archeologia (SN: 18/12/21 e 1/1/22, p. 44). La scansione con tomografia computerizzata a raggi X è ora l'alternativa moderna alla macinatura su cui spesso si basavano gli scienziati del XIX secolo. Gli esempi recenti includono scansioni di animali mummificati dell'antico Egitto (SN: 12/9/20, p. 17); iscrizioni appena scoperte sul meccanismo di Antikythera di 2.000 anni fa, una calcolatrice astronomica dell'antica Grecia utilizzata per prevedere eclissi e altri eventi celesti (SN: 2/12/06, p. 357); e uno studio della cavità cerebrale in un cranio di scimmia di 20 milioni di anni fa (SN: 14/9/19, p. 11). Molti grandi musei e istituti di ricerca dispongono di propri scanner a raggi X CT che sono essenzialmente gli stessi sistemi utilizzati dai medici.

Nonostante tutto ciò che l'imaging a raggi X ha rivelato sul passato, ha ancora alcuni svantaggi. I raggi X non possono penetrare un materiale particolarmente denso, come il piombo o spesse strati di altri metalli, per vedere un oggetto nascosto all'interno. D'altro canto, un oggetto fatto di materiale a bassa densità, come un tessuto morbido, sarà invisibile ai raggi X.

I neutroni possono completare l'immagine.

I neutroni, come suggerisce il loro nome, sono neutri. Queste particelle subatomiche non hanno carica elettrica, quindi i fasci di neutroni non notano gli elettroni in orbita intorno agli atomi. Invece, i neutroni passano direttamente vicino agli elettroni e colpiscono i nuclei pieni di protoni e neutroni al centro degli atomi. I neutroni in ingresso possono rimbalzare sul nucleo di un atomo o essere assorbiti nell'atomo. Le interazioni sono più complesse rispetto a quelle con i raggi X e dipendono da quanto velocemente si muovono i neutroni e da complesse interazioni meccaniche quantistiche.

I neutroni adatti alla tomografia vengono prodotti con acceleratori di particelle relativamente massicci o come sottoprodotti dei reattori nucleari. I neutroni si muovono relativamente lentamente, con energie cento milioni di volte inferiori a quelle dei raggi X negli scanner CT. Questi neutroni lenti interagiscono fortemente con alcuni materiali a bassa densità attraversati senza problemi dai raggi X, tra cui il litio, il boro e l'idrogeno.

"L'acqua per i neutroni è come il piombo per i raggi X", a causa degli atomi di idrogeno, afferma Bevitt. Troppo materiale ricco di idrogeno può nascondere i dettagli ai fasci di neutroni. Ma allo stesso modo in cui una protesi d'anca metallica spicca in una radiografia medica, l'idrogeno può anche rendere visibili alcune caratteristiche nelle immagini dei neutroni. Il piombo, il ferro e il rame, d'altra parte, sono essenzialmente trasparenti ai neutroni a bassa energia.

Il fisico Jacob LaManna dell'Istituto Nazionale di Standard e Tecnologia (NIST) a Gaithersburg, nel Maryland, ama dimostrare le capacità comparative dell'imaging a neutroni e a raggi X con una "natura morta" al CT di gigli asiatici nascosti all'interno di un fusto cavo con spessi muri di piombo. "I neutroni possono passare direttamente attraverso il piombo, e così si può vedere praticamente tutta l'acqua nella struttura vascolare dei fiori", dice LaManna. Una scansione a raggi X mostrerebbe solo la superficie esterna opaca del fusto.

La capacità di scorrere attraverso materiali densi che bloccano i raggi X ha reso l'imaging a neutroni una tecnologia importante per il test industriale di automobili e aeroplani. Le particelle possono rivelare il flusso di olio ricco di idrogeno all'interno dei motori o rivelare difetti nelle fusioni di metallo. Dagli anni '70, i laboratori nazionali degli Stati Uniti si sono affidati all'imaging a neutroni per sviluppare e mantenere le riserve di armi nucleari della nazione; i neutroni sono potenti strumenti di controllo qualità per mappare l'interno delle parti di bombe dense e per studiare esplosivi a fusione ricchi di idrogeno all'interno dei componenti delle testate.

Presso il NIST, LaManna guida il Neutron and X-ray Tomography, o NeXT, una struttura che può eseguire contemporaneamente l'imaging a raggi X e neutroni. Le visualizzazioni doppie forniscono informazioni distinte ma complementari su cose che contengono combinazioni di materiali - come pile a combustibile all'idrogeno, materiali da costruzione e campioni di suolo - che sarebbe difficile studiare solo con uno dei due approcci di imaging.

Negli ultimi decenni, mentre si è diffusa la notizia sulle capacità, un numero sempre maggiore di paleontologi, archeologi e antropologi hanno aggiunto l'imaging a neutroni ai propri strumenti analitici. Nonostante l'imaging a neutroni sia presente da un po' di tempo, "siamo davvero i nuovi arrivati nel quartiere", dice Bevitt.

Oltre a rivelare più ossa di dinosauro nell'addome di un coccodrillo frantumato, insieme al femore che ha inizialmente attirato l'attenzione di Bevitt, la tomografia computerizzata a neutroni ha permesso ai ricercatori di studiare le bende che avvolgono le mummie di gatti senza aprirle, trovare segni di collanti recentemente applicati per tenere insieme manufatti fraudolentemente assemblati e scoprire il cuore più antico mai trovato in un vertebrato, in un pesce di 380 milioni di anni fa.

Il paleontologo James Clark mette un paio di crani di coccodrillo fossilizzati sul tavolo del suo laboratorio nel seminterrato presso la George Washington University a Washington, D.C. I fossili di 165 milioni di anni sono oscurati da un vicino cranio di alligatore moderno. Mentre il cranio di alligatore è lungo quanto il mio avambraccio, i crani di coccodrillo fossilizzati sono solo leggermente più grandi della punta del mio pollice.

I fragili crani, che Clark ha raccolto in Messico quattro decenni fa, sono incorporati in bolle indurite di sedimenti con solo poche ossa e denti che spuntano. A prima vista, i campioni assomigliano a mucchi di gomma da masticare, ma fatti di fanghi di pietra tenaci e ricchi di ferro. "Se provi a fare una radiografia di questo, finisci essenzialmente con... queste scintille luminose dovute a tutto il ferro", dice Clark. Il risultato è un offuscamento e uno sbiadimento che nascondono le strutture scheletriche.

Clark avrebbe potuto assumere preparatori per rimuovere il sedimento intorno alle delicate ossa. Ma è un processo lento e costoso che può finire per danneggiare il reperto, dice lui.

Non è stato fino al 2019 che ha finalmente potuto dare un'occhiata alle ossa nascoste. Dopo un seminario in cui ha incontrato Bevitt, Clark si è reso conto che la scansione neutronica potrebbe essere la risposta. L'evento ha portato a un'introduzione a LaManna e all'installazione NIST a 25 chilometri di distanza nel Maryland. Poiché il ferro è essenzialmente trasparente ai neutroni, dice LaManna, "è molto più facile isolare solo la parte fossilizzata dell'oggetto". Le immagini ottenute dalle scansioni CT neutroniche del NIST hanno rivelato i dettagli intricati delle piccole ossa. "Puoi quindi iniziare a giocare al puzzle digitale con i frammenti ossei per cercare di ricostruire la creatura in questione". Mentre il materiale intorno a un fossile o a un oggetto può presentare un problema per i raggi X, a volte è l'oggetto stesso il problema. Tessuti, fibre, legno e altri materiali a bassa densità possono essere difficili da visualizzare con i raggi X, e i metalli all'interno di un oggetto possono ostruire la visione di altre caratteristiche. Entrambi questi problemi affliggono i ricercatori che studiano antichità come le asce-pugnali vecchie di 3.000 anni che ho visto in mostra alla Galleria d'Arte del Smithsonian a Washington, DC. Queste armi cerimoniali della dinastia Shang in Cina sono sospese in una custodia di vetro verticale, dove potevo avvicinarmi a pochi centimetri dalle lame di giada e dai manici di bronzo incrostati di turchese. Ho scoperto che era meglio avvicinarmi per apprezzare i dettagliati motivi blu-verdi delle gemme incastonate nel metallo. L'addetta alla conservazione delle opere d'arte dello Smithsonian, Ariel O'Connor, vorrebbe sapere come sono state assemblate le asce-pugnali. La CT a raggi X non funziona con la combinazione di pietra, metallo, fibre e altri materiali che potrebbero essere presenti. L'imaging neutronico potrebbe aiutare, ma comporta un rischio. I fasci di neutroni rendono le cose radioattive. Non è sempre chiaro in anticipo quanto radioattivo diventerà un campione, ma spesso i materiali superano il livello di radioattività sicuro per gli esseri umani da maneggiare, o persino da osservare in un museo, per giorni o settimane dopo l'esposizione ai fasci di neutroni. "Potevamo effettivamente fare calcoli e determinare quale sarebbe l'elemento problematico e per quanto tempo sarebbe rimasto radioattivo e quanto", dice LaManna. "Ma nel caso della giada, dove è un materiale scavato completamente dal terreno, può avere ogni tipo di cosa che potresti non aspettarti." Questo rende difficile prevedere la radioattività residua. Quindi, O'Connor ha deciso di fare un test. Lei e i suoi colleghi hanno realizzato una replica grezza di un'antica ascia-pugnale. Hanno utilizzato giade dal Wyoming al posto della giada cinese antica, pile di ottone da un battiscopa reinventato per simulare il manico di bronzo, e un filo di seta simile a quelli che tengono insieme alcune asce-pugnali della dinastia Shang. Poi LaManna ha scansionato l'ascia con raggi X e neutroni al NIST. Come previsto, l'ottone era completamente opaco ai raggi X, nascondendo le caratteristiche della costruzione della replica. Ma il fascio di neutroni ha rivelato dettagli fondamentali, inclusa una vista della giada inserita all'interno del manico di ottone e persino dei singoli fili di seta. Per testare come l'imaging neutronico potrebbe funzionare su un'ascia-pugnale, i ricercatori hanno realizzato una replica di giada, pile di lastre di ottone e filo di seta. In un'immagine a raggi X della replica (sopra), il fusto è oscurato dall'ottone, quindi il team ha utilizzato una scansione neutronica per visualizzare la parte evidenziata in giallo. Questo imaging (sotto) ha rivelato dettagli non visibili nelle scansioni a raggi X. Per quanto riguarda la radioattività residua, la replica non ha mostrato nulla di significativo nove giorni dopo. In generale, dice Bevitt, la radioattività residua si calma rapidamente. Un fossile da lui studiato è rimasto radioattivo per tre mesi, a causa della presenza di radio, ma la maggior parte dei campioni è sicura da inviare a laboratori e musei entro poche settimane o meno. Tuttavia, con quest'incertezza e le domande su quanto chimicamente simile sia la replica rispetto alle vere asce-pugnale, O'Connor non è ancora pronta a rischiare la scansione degli artefatti. "Come conservatrice, mi è affidata la conservazione e la sicurezza di questi straordinari oggetti di 3.000 anni per assicurarmi che rimangano per le generazioni future. Se una tecnica analitica come l'imaging neutronico potesse rispondere alle nostre domande di ricerca ma altererebbe gli oggetti e impedirebbe loro di essere accessibili" a causa della radioattività indotta, dice O'Connor, "cercheremo altre opzioni". Nonostante la crescente popolarità della tomografia neutronica nello studio dei fossili e delle antichità, la CT a raggi X rimane la scelta d'imaging preferita dalla maggior parte dei ricercatori. Negli anni '90, alcuni dozzine di articoli accademici sull'uso dei neutroni nello studio del passato venivano pubblicati ogni anno; recentemente, il numero è salito a centinaia all'anno. Il numero di pubblicazioni correlate all'imaging di fossili e artefatti con la CT a raggi X, invece, supera il migliaio ogni anno.

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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