Субатомні частинки малюють картини внутрішніх світів пірамід, вулканів тощо.
Всередині єгипетської Великої піраміди Гізи лежить таємнича порожнина, її порожнечу не бачить жодна жива людина, а її поверхня недоторкана сучасними руками. Але, на щастя, вчені більше не обмежені людськими відчуттями.
Щоб відчути контури незвіданого внутрішнього простору піраміди, вчені прослідкували шляхи крихітних субатомних частинок, які називаються мюонами. Ці частинки, народжені високо в атмосфері Землі, мчали до поверхні та проривалися крізь піраміду. Деякі з частинок відобразили натяки на те, що вони зустріли, на чутливих детекторах у піраміді та навколо неї. Шляхи частинок виявили дивовижну присутність прихованої камери, про яку було оголошено в 2017 році.
Це приголомшливе відкриття породило плани фізиків використовувати мюони для дослідження інших археологічних структур. І деякі дослідники використовують техніку, яка називається муографією, щоб нанести на карту канали вулканів. «Ви дійсно можете побачити всередині вулкана», — каже геофізик Джованні Леоне з Університету де Атакама в Копіапо, Чилі. Цей внутрішній погляд може дати вченим більше інформації про те, як і коли, ймовірно, вивергнеться вулкан.
Мюони всюди на поверхні Землі. Вони утворюються, коли частинки високої енергії з космосу, відомі як космічні промені, врізаються в атмосферу Землі. Мюони безперервно падають через атмосферу під різними кутами. Коли вони досягають поверхні Землі, частинки лоскочуть нутрощі великих структур, таких як піраміди. Вони проникають і в дрібніші предмети: ваш ніготь великого пальця пронизує мюон приблизно раз на хвилину. Вимірювання кількості частинок, які поглинаються, коли вони проходять через структуру, може виявити щільність об’єкта та виявити будь-які приховані прогалини всередині.
Техніка нагадує отримання величезного рентгенівського зображення, каже Маріялена Д’Ерріко, фізик елементарних частинок з Національного інституту ядерної фізики в Неаполі, Італія, яка вивчає Везувій за допомогою мюонів. Але «замість рентгенівського випромінювання ми використовуємо … природне джерело частинок», власний, нескінченний запас мюонів на Землі.
Зазвичай фізики вивчали космічні промені, щоб краще зрозуміти Всесвіт, звідки вони виникли. Але муографія перевертає цю традицію з ніг на голову, використовуючи ці космічні частинки, щоб дізнатися більше про раніше непізнані частини нашого світу. Здебільшого, каже фізик елементарних частинок Хіроюкі Танака з Токійського університету, «частинки, які надходять із Всесвіту, не застосовуються в нашому звичайному житті». Танака та інші намагаються це змінити.
Жодна частинка не схожа на це
Незручні двоюрідні брати електронів, мюони, можуть здатися непотрібною фізикою. Коли вперше було виявлено приналежність частинки, фізики задумалися, чому ця дивна частинка взагалі існує. У той час як електрони відіграють вирішальну роль в атомах, більш важкі мюони не служать такій меті.
Але мюони виявляються ідеальними для створення зображень інтер’єрів великих об’єктів. Маса мюона приблизно в 207 разів більша, ніж маса електрона. Ця додаткова маса означає, що мюони можуть долати сотні метрів скелі або більше. Різниця між електроном і мюоном, що проходять крізь речовину, подібна до різниці між кулею та гарматним ядром, каже фізик елементарних частинок Крістіна Карлогану. Стіна може зупинити кулю, а гарматне ядро проходить наскрізь.
Мюонів багато, тому немає потреби створювати штучні пучки випромінювання, як це потрібно, наприклад, для отримання рентгенівських зображень зламаних кісток у кабінеті лікаря. Мюони «безкоштовні», — каже Карлогану з CNRS і Національного інституту фізики ядер і елементарних частинок в Об’єрі, Франція.
Частковий душ
Протони та інші високоенергетичні частинки з космосу потрапляють в атмосферу Землі та створюють потоп інших частинок. Піони і каони можуть розпадатися на мюони, деякі з яких досягають поверхні Землі разом із нейтрино, які важко виявити.
ДЖЕРЕЛО: A. GIAMMANCO
Ще одна важлива перевага мюонів: «Їх також дуже легко виявити», — каже фізик-ядерник Річард Кузес із Тихоокеанської північно-західної національної лабораторії в Річленді, штат Вашингтон. Простий детектор, виготовлений зі смужок пластику та світлових датчиків, зробить свою справу. Інші мюонні детектори потребують трохи більше, ніж спеціалізована версія фотоплівки. Немає жодної іншої подібної частинки, каже Кузес.
Мюони мають негативний електричний заряд, як і електрон. Їх античастинки, антимюони, які також обсипаються на Землю, мають позитивний заряд. Мюонні детектори вловлюють сліди як негативно, так і позитивно заряджених різновидів. Коли ці частинки проходять через матеріал, вони втрачають енергію різними способами, наприклад, стикаючись з електронами та вибиваючи їх із своїх атомів.
З цією втратою енергії мюони сповільнюються, іноді достатньо, щоб зупинитися. Чим щільніший матеріал, тим менше мюонів пройде до детектора, розміщеного під ним або збоку від нього. Такі великі щільні об’єкти, як-от вулкани чи піраміди, відкидають мюонну тінь. І будь-які прогалини в цих структурах виглядатимуть як яскраві плями в цій тіні, тому що через них може прослизнути більше мюонів. Інтерпретація таких плямистих тіней може відкрити погляд у приховані світи.
Зондування пірамід
Муографія показала себе в піраміді. Одне з перших застосувань цієї техніки було в 1960-х роках, коли фізик Луїс Альварес і його колеги шукали приховані камери в піраміді Хефрена в Гізі, дещо меншому сусіді Великої піраміди. Детектори не виявили натяку на несподівані кімнати, але довели, що техніка спрацювала.
І все-таки ця ідея потребувала часу, щоб втілити її в життя, оскільки мюонні детектори тієї епохи, як правило, були громіздкими і найкраще працювали в добре контрольованих лабораторних умовах. Щоб виявити мюони, команда Альвареса використовувала детектори, які називаються іскровими камерами. Іскрові камери заповнені газом і металевими пластинами під високою напругою, так що заряджені частинки, проходячи крізь них, створюють сліди іскор.
Зараз, завдяки прогресу в технологіях фізики елементарних частинок, іскрові камери значною мірою були замінені. «Ми можемо створювати дуже компактні, дуже міцні детектори», — каже фізик-ядерник Едмундо Гарсіа-Соліс з Чиказького державного університету. Ці детектори можуть бути розроблені для роботи поза ретельно контрольованою лабораторією.
Один тип пружного детектора виготовлений із пластику , що містить хімічну речовину під назвою сцинтилятор , яка випромінює світло, коли крізь нього проходить мюон або інша заряджена частинка ( SN Online: 8/5/21 ). Потім світло вловлюється та вимірюється електронікою. Пізніше цього року фізики використовуватимуть ці детектори, щоб ще раз поглянути на піраміду Хефрена , повідомили Кузес та його колеги 23 лютого в Journal for Advanced Instrumentation in Science . Досить компактний, щоб поміститися в два великих чохла, детектор «можна перенести в піраміду, а потім керувати ним за допомогою ноутбука, і це все», — каже Кузес.
Погляд всередину
Вчені розмістили три різні типи детекторів мюонів у Великій піраміді та навколо неї, щоб визначити щільність структури та знайти приховані камери.
ДЖЕРЕЛО: K. MORISHIMA
ET AL /
NATURE 2017
Інший, але особливо невибагливий тип детектора, який називається плівкою ядерної емульсії, мав вирішальне значення для розкриття прихованої порожнечі Великої піраміди в 2017 році. Ядерні емульсії записують сліди частинок на спеціальному типі фотоплівки. Детектори залишають на місці на деякий час, а потім повертають до лабораторії для аналізу відбитих на них слідів.
Фізик елементарних частинок Куніхіро Морісіма з Університету Нагоя в Японії допоміг відкрити секретну камеру завдяки роботі над міжнародним проектом під назвою ScanPyramids . «Ядерні емульсії легкі, компактні та не потребують джерела живлення», — пояснює він. Це означало, що кілька детекторів можна було розмістити в найкращих місцях для огляду в одній із кімнат піраміди, Палаті королеви та невеликій ніші поруч із нею. Вимірювання детекторів було доповнено пластиковими сцинтиляторними детекторами всередині Палати Королеви та газовими детекторами поза пірамідою.
Після відкриття порожнечі Морісіма та його колеги проводили додаткові вимірювання, щоб краще окреслити її властивості. Команда розмістила емульсійні детектори в 20 місцях піраміди, а також газові детектори в кількох різних місцях. Використовуючи новий набір інструментів, дослідники визначили, що порожнеча має довжину понад 40 метрів. Його призначення досі невідоме.
Інша команда дослідників планує більш масштабне обстеження Великої піраміди з розміщенням набагато більших детекторів за межами піраміди. Детектори будуть періодично переміщатися для вимірювання мюонів під різними кутами , повідомила команда 6 березня в Journal for Advanced Instrumentation in Science . Результат, каже співавтор і фізик елементарних частинок Алан Бросс з Fermilab в Батавії, штат Іллінойс, запропонує тривимірне зображення того, що знаходиться всередині.
Піраміди в інших частинах світу також стають більш уважними. Гарсіа-Соліс і його колеги зараз планують муографію піраміди майя, відомої як Ель-Кастільо в Чичен-Іца в Мексиці. Морісіма та його колеги також планують роботу над пірамідами майя.
Вчені сподіваються, що такі дослідження можуть виявити нові камери або особливості, які не видно за допомогою інших методів заглядання всередину об’єктів. Ультразвук, георадар або рентгенівське випромінювання, наприклад, можуть проникати лише на невелику відстань від поверхні, пояснює Бросс. Мюони, з іншого боку, дають глибоку картину. Для вивчення пірамід, каже Бросс, «мюони дійсно ідеальні».
Заглядаючи всередину вулкана
Везувій є відомою загрозою для Неаполя та прилеглих муніципалітетів, які притискаються до схилів вулкана. Сумно відомий тим, що знищив стародавнє місто Помпеї в 79 році нашої ери, вулкан не працює з 1944 року, коли велике виверження знищило кілька прилеглих сіл . Але якщо він вибухне, це поставить під загрозу життя приблизно 600 000 людей, які живуть ближче до нього, і багатьох інших поблизу.
«Везувій мене завжди лякав», — каже Д’Ерріко. «Я народився і живу під цим вулканом». Тепер, у рамках експерименту з мюонної радіографії Везувію, або MURAVES, вона прагне краще зрозуміти вулкан і його небезпеку.
Використовуючи мюонні детектори в 1,5 кілометрах від кратера вулкана, команда складає карту щільності мюонів — і, отже, щільності гірських порід — на вершині конуса Везувію. У статті, опублікованій 24 лютого на arXiv.org, дослідники представили попередні натяки на відмінності щільності між північно-західною та південно-східною половинами вулкана. MURAVES все ще збирає дані; майбутні спостереження мають допомогти вченим зрозуміти дрібніші деталі внутрішньої структури вулкана, яка, як вважають, є шаруватою через повторювані виверження.
Інформація про структуру вулкана може допомогти вченим передбачити, яких небезпек очікувати під час можливого виверження, наприклад, де можуть статися зсуви. І це може допомогти вченим зрозуміти, які кроки вжити, щоб зменшити ризики для людей, які живуть поблизу, каже Карлогану, який досліджував сплячий вулкан Пюї-де-Дом поблизу Клермон-Феррана, Франція, за допомогою муографії, а зараз працює над зображенням острова з влучною назвою Вулкано. в Італії.
Наприклад, коли в 1980 році у Вашингтоні сталося виверження гори Сент-Хеленс, весь схил вулкана впав. В результаті стихійного лиха загинуло 57 людей і завдано значних руйнувань. Знання структурних недоліків вулкана може допомогти вченим краще передбачити, як може відбутися виверження та які області знаходяться всередині небезпечної зони, говорить Карлогану.
Карлогану вважає, що мюони будуть корисними для виявлення структурних недоліків, але не для попередження, коли вулкан збирається вибухнути. Інші дослідники більш оптимістичні щодо здатності мюонів давати своєчасні попередження.
Леоне, Танака та їхні колеги написали в листопаді минулого року в Proceedings of the Royal Society A. Муографію можна включити в системи раннього попередження про вулкани. Леоне каже. Ці методи включають сейсмічні вимірювання, а також спостереження за деформацією ґрунту та викидами вулканічного газу.
Танака та його колеги вивчають Сакураджіму, один із найактивніших вулканів у світі, поблизу Кагосіми, Японія. Один із кратерів вулкана, кратер Шова, часто вивергався до 2017 року, коли активність раптово перейшла на інший кратер, Мінамідаке. Порівняння даних муографії, зроблених до і після цього зсуву, показало, що під кратером Шова утворилася нова щільна область , повідомили Танака та його колеги в 2019 році в Geophysical Research Letters . Це натякає на причину зупинки вивержень Шова: вона була забита щільною пробкою затверділої магми, каже Танака.
Ці результати свідчать про те, що вчені можуть використовувати муографію, щоб допомогти передбачити виверження вулканів, каже Танака. Фактично, використовуючи методи глибокого навчання на даних муографії Сакураджіми, Танака та його колеги повідомили в Scientific Reports у 2020 році, що вони змогли передбачити, чи почнеться виверження вулкана наступного дня, аналізуючи дані попереднього тижня. Техніка правильно передбачала дні виверження вулкана більш ніж у 72 відсотках випадків і правильно передбачала дні без виверження більш ніж у 85 відсотків часу.
Подібно до того, як відкриття рентгенівських променів відкрило абсолютно новий спосіб бачення світу, використання мюонів може змінити наше бачення навколишнього середовища. Ставлення до частинок, які колись вважалися непотрібними — небажаними і нелюбимими фізиками — змінилося. Одного разу, можливо, мюони зможуть врятувати життя.
Виявлено контрабанду
Рентгенівський зір Супермена був вражаючим. Але деякі вчені можуть віддати перевагу мюонному бачення. Наприклад, мюони можуть допомогти чиновникам зазирнути всередину закритих транспортних контейнерів, «щоб побачити, чи немає всередині чогось підозрілого», — каже фізик елементарних частинок Андреа Джамманко з Католицького університету Лувена в Бельгії. Проект « Тихий кордон », який фінансується Європейським Союзом, спрямований на розробку методу виявлення небезпечної контрабанди на митних пунктах без необхідності фізично відкривати та перевіряти кожен контейнер, який проходить через нього.
Ключем до цієї методики є вимірювання того, як розсіюються мюони. Коли мюони проходять через матеріал, частина поглинається, а частина розсіюється, змінюючи напрямок. Використовуючи детектори над і під об’єктом, вчені можуть спостерігати, як змінюється траєкторія мюона, коли він проходить крізь об’єкт. Оскільки мюони мають тенденцію розсіюватися під великими кутами в матеріалах, виготовлених із важчих елементів, цей метод може виявити такі речовини, як уран.
Вимірювання розсіювання мюонів також може бути корисним для того, щоб заглянути в контейнери для зберігання ядерних відходів, щоб перевірити, що всередині, виключивши будь-яку крадіжку небезпечних речовин або іншу кумедну справу.
Окремо Джамманко та його колеги вивчають розсіювання мюонів для вимірювання сильних магнітних полів, що може бути корисним для моніторингу певних технологій, які покладаються на цю магнітну силу. Це включає в себе експериментальні реактори ядерного синтезу, які, як сподіваються вчені, одного дня зможуть забезпечити планету енергією. — Емілі Коновер