Cocodrilo destrozado. Formalmente, Confractosuchus . Fue descubierto en Australia cuando una topadora que limpiaba una roca rompió una piedra en pedazos. Las porciones expuestas de la roca fragmentada dejaron claro que había fósiles en su interior, pero no hubo señales inmediatas de que este descubrimiento revelaría más tarde una instantánea sin precedentes de la vida del Período Cretácico.

El paleontólogo Matt White de la Universidad de Nueva Inglaterra en Armidale, Australia, y sus colegas hicieron arreglos para escanear la roca cargada de fósiles con tomografía computarizada de rayos X. Al igual que una tomografía computarizada médica, el método toma múltiples imágenes de un objeto que se pueden ensamblar en un mapa tridimensional del interior. El equipo esperaba utilizar los escaneos como guías para aislar huesos individuales en el fósil sin eliminarlos, y luego manipular las imágenes tridimensionales para volver a unir virtualmente el cocodrilo destrozado.

Pero una sección del rompecabezas de los fósiles les causó problemas. Las piedras ricas en hierro que rodeaban los huesos dificultaban la obtención de buenas imágenes de rayos X. Entonces los investigadores decidieron probar otro enfoque.

Enviaron el misterioso trozo al químico Joseph Bevitt del Centro Australiano para la Dispersión de Neutrones en Sydney, que se especializa en el uso de partículas de neutrones subatómicos para obtener imágenes de objetos antiguos. Junto con los esperados huesos de cocodrilo, Bevitt descubrió uno que parecía el hueso de una pata de dinosaurio. Estaba en la porción de roca donde habría estado la cavidad del estómago del cocodrilo.

"Cuando vi el resultado de los neutrones y el pequeño fémur de dinosaurio, temblé de shock", dice Bevitt, "tanto de asombro como de duda por lo que habíamos visto".

Años de análisis y más escaneos de rayos X y neutrones finalmente confirmaron que los restos de una especie de dinosaurio previamente desconocida, mordidos en pedazos y marcados con marcas de dientes, estaban en el vientre 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 recientemente identificada como del dinosaurio nunca antes visto en su interior el año pasado en Gondwana Research (SN: 26/03/22, p. 5).

Al escanear estas rocas, los científicos descubrieron en su interior un antiguo cocodrilo que se había comido a un dinosaurio como última comida. MA WHITE ET AL / INVESTIGACIÓN GONDWANA 2022

El escaneo de rayos X reveló el cocodrilo incrustado (se muestra la reconstrucción digital en 3D). Pero fue necesario un escaneo de neutrones para descubrir huesos de dinosaurio (rojos) en el vientre del cocodrilo. MA WHITE ET AL / INVESTIGACIÓN GONDWANA 2022

Es un descubrimiento sorprendente: Confractosuchus sauroktonos, el lagarto cocodrilo asesino destrozado, y los restos de su última comida, su víctima dinosaurio, congelados en piedra hace 100 millones de años. Es una viñeta que quizás nunca habría salido a la luz si no fuera por la tomografía de neutrones. Aunque los neutrones se han utilizado para obtener imágenes en aplicaciones industriales y militares desde poco después de que se descubriera el neutrón en 1932, sólo en las últimas décadas estas partículas subatómicas han comenzado a proporcionar a los científicos vistas sin precedentes del interior de fósiles y antigüedades.

Mira, no toques

Hubo un tiempo en el que estudiar fósiles y artefactos a menudo significaba dañarlos o destruirlos. Se diseccionaron restos momificados. Los contenedores sellados estaban abiertos. Los fósiles fueron arrancados de la roca. En algunos casos, se trituraron muestras que contenían fósiles, capa por capa, para crear imágenes de porciones secuenciales en cortes que revelaban las estructuras fosilizadas en su interior.

Afortunadamente, los rayos X ofrecen información no destructiva. Como forma de radiación electromagnética o luz de alta energía, los rayos X interactúan con los campos eléctricos y magnéticos asociados con partículas cargadas eléctricamente. En el consultorio de un médico, cuando un técnico dirige un haz de rayos X a una pierna rota, la luz es dispersada o absorbida por los campos de electrones alrededor de los átomos de la pierna. Cuanto más denso es un material, más electrones contiene y menos eficaz es el paso de los rayos X. Es por eso que las partes del cuerpo de mayor densidad, como los huesos, se destacan en las imágenes de rayos X más que las partes de menor densidad. La piel, los músculos y otros tejidos blandos son esencialmente invisibles porque los rayos X los atraviesan directamente.

Los rayos X han proporcionado vistas de los interiores ocultos de los artefactos desde que se descubrió la radiación en 1895. Pero después de que se desarrolló la TC de rayos X computacionalmente intensiva en la década de 1970, se convirtió en el enfoque estándar para estudiar objetos en paleontología y arqueología (SN: 12 /18/21 y 1/1/22, pág.44). La tomografía computarizada con rayos X es ahora la alternativa moderna al pulido en el que a menudo confiaban los científicos del siglo XIX. Los ejemplos recientes incluyen exploraciones de animales momificados del antiguo Egipto (SN: 12/09/20, p. 17); inscripciones recientemente descubiertas sobre el mecanismo de Antikythera de 2000 años de antigüedad, una antigua calculadora astronómica griega utilizada para predecir eclipses y otros eventos celestes (SN: 2/12/06, p. 357); y un estudio de la cavidad cerebral en el cráneo de un mono de 20 millones de años (SN: 14/09/19, p. 11). Muchos grandes museos e instituciones de investigación tienen a mano sus propios escáneres CT de rayos X que son esencialmente los mismos sistemas que utilizan los médicos.

Sin embargo, a pesar de todo lo que las imágenes de rayos X han revelado sobre el pasado, todavía tienen algunos inconvenientes. Los rayos X no pueden penetrar un material particularmente denso, como el plomo o capas gruesas de otros metales, para ver un objeto escondido en su interior. Por otro lado, un objeto hecho de un material de baja densidad, como un tejido blando, será invisible a los rayos X.

Los neutrones pueden completar el cuadro.

Una ilustración que muestra qué materiales pueden atravesar los rayos X y el escaneo de neutrones.  El escaneo con rayos X atraviesa papel, finas capas de madera, aluminio, pero no plomo, hierro ni otros materiales densos.  Los neutrones atraviesan todos esos materiales pero no el agua.

Los científicos dependen del escaneo de rayos X y neutrones para penetrar materiales que ocultan objetos de interés. Las diferencias en cómo interactúan los rayos X y los neutrones con los átomos explican por qué los neutrones, a diferencia de los rayos X, pueden atravesar el plomo pero quedar bloqueados por el agua. T. TIBBITTS

La diferencia está en la dispersión.

Los neutrones, como su nombre 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 junto a los electrones y golpean núcleos llenos de protones y neutrones en los centros 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 de la mecánica cuántica.

Los neutrones aptos para la tomografía se producen con aceleradores de partículas comparativamente masivos o como subproductos de reactores nucleares. Los neutrones se mueven relativamente lentamente, con energías cienmillonésimas de las 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 alegremente, incluidos 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 a los haces de neutrones. Pero de la misma manera que una articulación metálica de la cadera 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 el contrario, son esencialmente transparentes a los neutrones de baja energía.

Los lirios en un barril de plomo demuestran las capacidades de las imágenes de neutrones. Los neutrones pueden navegar a través del cable, lo que detendría los rayos X, para revelar las flores que contiene, incluida el agua en la estructura vascular (derecha). DANIEL HUSSEY/NIST

Al físico Jacob LaManna del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Gaithersburg, Maryland, le gusta demostrar las capacidades comparativas de las imágenes de neutrones y rayos X con una “naturaleza muerta” de CT de lirios asiáticos escondidos dentro de un barril hueco con gruesas paredes de plomo. "Los neutrones pueden atravesar el plomo y entonces se puede ver básicamente toda el agua [en la] estructura vascular de las flores", dice LaManna. Una exploración con rayos X no mostraría nada más que la superficie exterior opaca del barril.

La capacidad de deslizarse a través de materiales densos que bloquean los rayos X ha convertido las imágenes 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 fallas en las piezas fundidas de metal. Desde la década de 1970, los laboratorios nacionales de Estados Unidos han dependido de las imágenes de neutrones para desarrollar y mantener los arsenales de armas nucleares del país; Los neutrones son poderosas herramientas de control de calidad para mapear el interior de partes densas de bombas y para estudiar explosivos de fusión ricos en hidrógeno dentro de los componentes de ojivas.

En el NIST, LaManna dirige la instalación de Tomografía de rayos X y neutrones, 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 pilas de combustible de hidrógeno, materiales de construcción y muestras de suelo) que serían difíciles de estudiar con sólo uno u otro enfoque de imágenes.

Durante las últimas dos décadas, a medida que se corrió la voz sobre sus capacidades, un número creciente de paleontólogos, arqueólogos y antropólogos han agregado imágenes de neutrones a sus cajas de herramientas analíticas. A pesar de que las imágenes de neutrones existen desde hace un tiempo, "realmente somos los nuevos chicos de la cuadra", dice Bevitt.

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

Juntos, el escaneo de rayos X y neutrones proporcionó una vista interior de este gato momificado del antiguo Egipto, sin necesidad de desenvolverlo. Los rayos X (centro) revelaron el esqueleto del gato, mientras que los neutrones (derecha) mostraron detalles de las envolturas de tela, incluidas capas de diferente tensión y aspereza (recuadro). CA RAYMOND Y JJ BEVITT/ PROCEDIMIENTOS DE INVESTIGACIÓN DE MATERIALES 2020 ( CC BY 3.0 )

Recompensas y riesgos

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, DC. Los fósiles de 165 millones de años de antigüedad quedan eclipsados ​​por un cráneo de caimán moderno cercano. Mientras que el cráneo de caimán es tan largo como mi antebrazo, los cráneos de cocodrilo fosilizados son sólo 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 de sedimento endurecido y solo se ven unos pocos huesos y dientes. A primera vista, los especímenes parecen fajos de chicle masticado, pero están hechos de lutita arenosa y rica en hierro. "Si intentas hacer una radiografía de eso, básicamente terminas con... estos destellos brillantes de todo el hierro", dice Clark. El resultado son manchas y rayas que ocultan 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, afirma.

No fue hasta 2019 que finalmente pudo ver bien los huesos escondidos. Después de un seminario en el que conoció a Bevitt, Clark se dio cuenta de que el escaneo de neutrones podría ser la respuesta. El evento condujo a una presentación de LaManna y las instalaciones del NIST a 25 kilómetros de la carretera en Maryland.

Para ver los huesos de un antiguo cocodrilo incrustados en lutita rica en hierro, los investigadores recurrieron al escaneo de neutrones. J. STIEGLER

Las imágenes de neutrones permitieron una vista tridimensional del cráneo del cocodrilo sin dañar la muestra J. STIEGLER

Como el hierro es esencialmente transparente a los neutrones, dice LaManna, "básicamente es mucho más fácil aislar sólo la porción fósil del objeto". Las imágenes de las tomografías computarizadas de neutrones del NIST revelaron los intrincados detalles de los pequeños huesos. "Luego puedes empezar a jugar rompecabezas digitales con los fragmentos de hueso para intentar reconstruir la criatura en particular".

Si bien el material alrededor de un fósil u objeto puede presentar un problema para los rayos X, a veces el problema es el objeto en sí. Los tejidos, fibras, madera y otros materiales de baja densidad pueden ser difíciles de resolver con rayos X, y los metales dentro de un objeto pueden bloquear la vista de otras características. Ambos desafíos afectan a los investigadores que estudian antigüedades como las dagas de 3.000 años de antigüedad que vi expuestas en la Galería de Arte Freer del Smithsonian en Washington, DC.

Estas armas ceremoniales de la dinastía Shang de China están suspendidas en una vitrina vertical, donde podía acercar mi nariz a sólo unos centímetros de las hojas de jade y los mangos de bronce con incrustaciones de turquesa. Descubrí que era mejor acercarme para poder apreciar los intrincados patrones azul verdosos de las piedras preciosas incrustadas en el metal.

Los investigadores de la Galería de Arte Freer del Smithsonian quieren saber cómo se fabricaron las dagas (una de las cuales se muestra) de 3.000 años de antigüedad de la dinastía Shang de China. Las imágenes de neutrones podrían ayudar a revelar el interior oculto del artefacto. GALERÍA DE ARTE MÁS LIBRE

Al conservador de arte del Smithsonian, Ariel O´Connor, le encantaría saber cómo se armaron las dagas. La TC de rayos X no funciona con la combinación de piedra, metal, fibras y otros materiales que pueda haber en su interior. Las imágenes de neutrones podrían ayudar, pero conllevan un riesgo. Los rayos de neutrones hacen que las cosas sean radiactivas. No siempre está claro de antemano qué tan radiactiva se volverá una muestra, pero los materiales a menudo exceden el nivel de radiactividad que es seguro para los humanos manipular, o incluso ver en un museo, durante días o semanas después de la exposición a haces de neutrones.

"De hecho, podríamos hacer cálculos y determinar cuál será el elemento problemático y durante cuánto tiempo será radiactivo y en qué cantidad", dice LaManna. "[Pero] en el caso del jade, donde se trata básicamente de un material completamente desenterrado del suelo, puede contener todo tipo de cosas que no necesariamente esperarías". Eso hace que la radiactividad residual sea difícil de predecir.

Entonces, O´Connor decidió hacer una prueba. Ella y sus colegas hicieron una tosca réplica de una antigua daga-hacha. Usaron jade de Wyoming en lugar del antiguo jade chino, pilas de latón de una placa de puerta reutilizada para simular el mango de bronce y un poco de hilo de seda similar al tipo que mantiene unidas algunas dagas-hachas de la dinastía Shang. Luego LaManna escaneó la daga con rayos X y neutrones en el NIST.

Como era de esperar, 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, incluida una vista del jade insertado dentro del mango de latón e incluso hilos de seda individuales.

Escondido no más

R. LIVINGSTON ET AL / JOURNAL OF ARCHAEOLOGICAL SCIENCE: INFORMES 2018

Para probar cómo podrían funcionar las imágenes de neutrones en una daga, los investigadores hicieron una réplica con jade, pilas de placas de latón e hilo de seda. En una radiografía de la réplica (arriba), el eje está oscurecido por el latón, por lo que el equipo utilizó un escaneo de neutrones para obtener imágenes de la parte delineada en amarillo. Esas imágenes (abajo) revelaron detalles que no son visibles en las exploraciones de rayos X.

R. LIVINGSTON ET AL / JOURNAL OF ARCHAEOLOGICAL SCIENCE: INFORMES 2018

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

Aún así, con esa incertidumbre y preguntas sobre cuán químicamente similar es la réplica a las dagas reales, O´Connor aún no está listo para arriesgarse a escanear los artefactos.

“Como conservador, se me ha confiado la preservación y seguridad de estos notables objetos de 3.000 años de antigüedad para garantizar que permanezcan para las generaciones futuras. Si una técnica analítica como las imágenes de neutrones pudiera responder nuestras preguntas de investigación pero alteraría los objetos e impediría que fueran accesibles” debido a la radiactividad inducida, dice O´Connor, “buscaremos otras opciones”.

Abriendo una nueva ventana al pasado

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 imágenes preferida por la mayoría de los investigadores. En la década de 1990, se publicaban anualmente unas pocas docenas de artículos académicos sobre el uso de neutrones para estudiar el pasado; Recientemente, han sido cientos por año. Sin embargo, las publicaciones relacionadas con la obtención de imágenes de fósiles y artefactos con rayos X CT se cuentan por miles cada año.

La mayoría de las veces, las radiografías son suficientes y las ventajas son claras. Ofrecen alta resolución para descubrir pequeños detalles sin radiactividad persistente. Las máquinas de tomografía computarizada de rayos X también están ampliamente disponibles porque se han utilizado en entornos médicos durante más de 50 años y son lo suficientemente pequeñas como para caber en la mayoría de los laboratorios y espacios de investigación de museos.

Por el momento, sólo existen en el planeta unas pocas docenas de instalaciones de tomografía de neutrones. Los aceleradores de partículas y los reactores nucleares que producen neutrones adecuados son grandes, caros y están fuertemente regulados. Sólo un puñado de instalaciones en todo el mundo están disponibles para analizar fósiles y antigüedades, según Burkhard Schillinger, físico de la Universidad Técnica de Múnich que dirige allí la línea de imágenes de neutrones. Menciona algunas instalaciones en Estados Unidos, media docena en Europa y una en Australia.

Aún así, LaManna dice que la falta de acceso no parece ser el obstáculo para la adopción generalizada de la técnica. Junto con las preocupaciones sobre la radiactividad persistente, la novedad de la tecnología y la falta general de concienciación pueden interponerse en el camino.

"Trato de reclutar una gama tan amplia de usuarios como puedo" para enviar fósiles y antigüedades para su obtención de imágenes en el NIST, dice LaManna. "No es que los estén dejando de lado" para dejar espacio a estudios de neutrones más convencionales. "Se trata simplemente de conseguir que las personas adecuadas estén interesadas para que luego escriban propuestas, vengan a nosotros [y] trabajen con nosotros para conseguir tiempo de transmisión".

En la última década, Bevitt, con sede en Australia, ha hecho correr la voz sobre la tomografía de neutrones a través de conferencias y actividades de divulgación en todo el mundo. La mayoría de los expertos contactados para este artículo atribuyen su interés inicial en las imágenes de neutrones a la influencia de Bevitt. Muchos investigadores en su país de origen ya han adoptado la tecnología.

"Básicamente, en Australia, cuando se descubre un nuevo dinosaurio", dice Bevitt, "lo primero que sucede es que llega a nuestro laboratorio".

CITAS

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Acerca de James R. Riordon

James Riordon es un escritor científico independiente y coautor del libro  Ghost Particle  –  In Search of the Elusive and Mysterious Neutrino.