Мюоны — это нестабильные, но относительно безобидные элементарные частицы. Весят они в 200 раз больше электронов, к сильному ядерному взаимодействию они равнодушны, поэтому могут пролететь сквозь многометровые стены, теряя очень немного энергии на своем пути. Никто не знает, почему природе потребовалось создавать еще одну, более тяжелую копию электрона (а точнее — две, потому что есть еще и совсем тяжелый тау-лептон), но мюоны существуют, это факт, и с ним надо как-то жить.
Первую часть материала можно прочитать здесь.
Заглянуть в вулкан
А теперь, по-прежнему оставаясь в Японии, изменим масштабы. В 2008 году группа из Университета Токио, возглавляемая Хироюки Танакой, выступила с предложением применить мюонную радиографию к действующим вулканам. Здесь уже размеры исследуемых объектов, а также расстояния от них до детекторов, достигают сотен метров и больше. Но поскольку природные мюоны летят со всех сторон под всеми углами, то общий поток мюонов остается примерно того же порядка.
Впрочем, наблюдать за внутренностями вулкана все равно сложнее, чем за небольшой рукотворной конструкцией, как минимум, по трем причинам. Во-первых, мы не можем поместить детектор непосредственно под изучаемый объект. Детектор должен быть установлен на склоне вулкана, а это значит, что попадут в него только почти горизонтальные мюоны, которые на своем пути прошли вулкан насквозь. Ясно, что чем более пологий склон, тем меньше поле зрения детектора и тем дальше он отстоит от кратера вулкана. Тем не менее, там, где мюонная радиография применима, она дает более детальную картину распределения пород разной плотности внутри вулкана, чем альтернативные методы (например, сейсмическая томография или гравиметрия, основанная на слабом отклонении силы тяжести от вертикали вблизи массивных объектов).
Во-вторых, пройти насквозь несколько сот метров пород могут только высокоэнергетические мюоны, поток которых намного меньше, что, конечно, ухудшает контраст изображений. Ну а в-третьих, не получится воспользоваться роскошью лабораторного эксперимента по рассеянию мюонов — ведь покрыть мюонными детекторами всю дальнюю сторону вулкана невозможно. Поэтому здесь приходится опираться на традиционную трансмиссионную мюонную томографию.
В настоящее время существует несколько групп, которые разрабатывают методику мюонного мониторинга за вулканами и регулярно опробывают свои наработки в полевых условиях. Кроме упомянутой уже пионерской группы Танаки, есть международный проект MU-RAY, который недавно выполнил мюонное сканирование Везувия, французская коллаборация TOMUVOL, которая изучает устройство вулкана Пюи-де-Дом, и французский же проект Diaphane, оттачивающий технологию на Малых Антильских островах и на склонах вулкана Этна. Подробную информацию об этом направлении исследований можно получить из материалов недавней конференции Muon and Nuetrino Radiography 2012.
У мюонной радиографии есть еще одно достоинство — она позволяет следить за динамическими изменениями. Пожалуй, самым впечатляющим применением этой методики стало недавнее наблюдение той же группы Танаки за внутренностями вулкана прямо в процессе извержения. В своей статье, опубликованной в 2014 году в журнале Nature Communications, коллектив представил подробности мюонного наблюдения за извержением островного вулкана Сацума-Иводзима с 14 июня по 10 июля 2013 года. Японское Метеорологические Агенство заблаговременно выдало сообщение о скором извержении, поэтому команда из нескольких человек успела прибыть на место (а это достаточно удаленный остров в Тихом океане) и смонтировать полутораметровый детектор. Он был установлен у подножия вулкана: и на километровом удалении от кальдеры вулкана, и на несколько сот метров ниже нее, что позволило ловить мюоны, летящие под углом 10-30 градусов к горизонту и прошедшие сквозь вулкан.
Благодаря высокому качеству мюонного детектора и низким инструментальным шумам, каждые три дня накапливалась достаточная статистика мюонов для того, чтобы восстановить, пусть и в общем приблизительном виде, картину распределений плотности внутри кратера. На последовательных снимках видно, как внутри магматической камеры перемещаются массы разной плотности, в том числе и пузыри.
Эти наблюдения за временной эволюцией извергающегося вулкана выглядят очень обнадеживающими. Они позволяют надеяться на развитие технологий еще более быстрого наблюдение за внутренностями активного вулкана, в котором уровень магмы может быстро повышаться и понижаться.
Французская команда, работающая в рамках проекта Diaphane, решила подналечь именно на эту сторону технологии. В качестве контрольного эксперимента, она установила под водонапорной башней небольшой, но чувствительный мюонный детектор. В течение дня менялся уровень воды в башне, это приводило к изменению толщины вертикально идущих мюонов и, как следствие, меняло мюонный поток. На поток влияли и другие факторы, в частности, температура атмосферы (да-да, она тоже влияет на поток мюонов); все они тоже тщательно отслеживались. Эксперимент проработал месяц и наглядно продемонстрировал, что, несмотря на посторонние долговременные колебания, даже небольшой детектор может уверенно регистрировать внутрисуточные колебания уровня воды всего на десятки сантиметров. Коллектив теперь надеется применить эту методику и для еще более быстрого отслеживания того, что происходит внутри активных вулканов.
Как увидеть Марс
Успешное применение метода мюонной радиографии для нужд вулканологии, а также перспективы ее использования в более широких геофизических исследованиях, навели исследователей на следующую мысль: а что, если попробовать аналогичным способом изучать и другие планеты? Польза от этого была бы огромной. Например, исследователи подозревают, что на Марсе есть запасы льда и воды прямо в верхних слоях грунта. А это значит, что любые методики, которые позволят как-то прощупать приповерхностную геологию марсианских пород, могут привести к новым громким открытиям.
В статье 2013 года, с прицелом именно на это, подробно обсуждается перспективы мюонной томографии для изучения марсианской геологии. Конечно, тут есть своя тонкость. Атмосфера на Марсе слабенькая, давление там на уровне поверхности составляет процент от земного. Поэтому, хоть поток космических лучей там примерно тот же, многие из этих космических частиц просто втыкаются в грунт и не производят атмосферных мюонов. Зато с горизонтальными мюонами ситуация намного лучше, чем на Земле, ведь с точки зрения горизонтальных космических лучей толщина атмосферы многократко возрастает. Поэтому можно будет издалека, за несколько километров, наблюдать за горами через их влияние на горизонтальный мюонный поток.
Сейчас разрабатывается предложение по установке на будущих марсианских роверах небольшого мюонного детектора как раз для таких измерений. Поскольку мюонная радиография — это пассивное наблюдение, мюонный детектор будет потреблять совсем небольшую мощность, несколько ватт. Он может работать в любых условиях (день-ночь, зима-лето); его можно установлить как на ровере, так и на неподвижных спускаемых модулях, и он не будет никоим образом мешать основной работе миссии. Конечно, мюонная радиография не поможет заглянуть прямо вниз, вглубь грунта, и не сможет полностью заменить такие методы наблюдения за глубинным устройством планет, как магнитометрия, гравиметрия, проникающее радарное зондирование. Однако для возвышающихся над поверхностью элементов топографии она подходит отлично.
Кладовщики планеты
Ну и, наконец, совсем недавно было предложено еще одно, несколько неожиданное применение для мюонной радиографии, касающееся на этот раз климата и окружающей среды. Как широко известно, в последние десятилетия климат изменяется, причем изменяется он такими темпами, которые в природе не наблюдались уже миллионы лет. Считается, что значительную, если не доминирующую роль в этих изменениях играет резкий рост концентрации парниковых газов в атмосфере и, прежде всего, CO2. Сейчас предпринимаются огромные усилия не только по сдерживанию промышленных выбросов углекислого газа, но и по его улавливанию из атмосферы и «захоронению» в жидком или твердом виде в подземных резервуарах.
В типичном проекте по захоронению углекислоты предполагается, что она будет закачиваться в пористые породы, закрытые сверху непроницаемым для углекислоты перекрывающим пластом. Разумеется, для реализации технологии потребуется и метод контроля за эволюцией углекислоты в хранилище как по мере его наполнения, так и в дальнейшем. Чтобы вся процедура была экономически целесообразной, этот метод должен быть дешевым. И именно здесь мюонная радиография оказывается очень кстати.
В вышедшей на днях статье описывается схема, в которой компактные листы мюонного детектора спускаются под землю через те же шахты, по которым будет закачиваться углекислота. Листы детектора будут установлены под основным объемом резервуара и начнут сразу же мониторить поток и угловое распределение мюонов. Поскольку глубина залегания будет достигать километра, до детектора будет добивать очень мало мюонов, порядка нескольких штук на квадратный метр в час. Однако мюонные детекторы достаточно дешевы и если покрыть ими площадь в тысячу квадратных метров, то уже за месяц-другой они позволят отслеживать процесс заполнения хранилища с точностью до процентов.
Игорь Иванов
Два художника - Кейси Рис и Бен Фрай - написали симулятор столкновения элементарных частиц. Они использовали для этого платформу Processing, которая предназначена именно для дизайнеров и художников. Модель получилась не слишком реалистичной, однако, производит красивые картинки следов столкновений в пузырьковой камере. Полученные картины обрабатывались руками, в результате получились настоящие произведения искусства.