Внутри великой египетской пирамиды в Гизе есть таинственная полость, сокрытая от глаз и нетронутая руками современных людей. Как о ней узнали учёные?
Чтобы прощупать контуры неисследованных внутренностей пирамиды, учёные проследили путь крошечных субатомных частиц, именуемых мюонами. Родившись высоко в атмосфере Земли, эти частицы устремились к её поверхности и пронзили пирамиду. Следы того, с чем они столкнулись внутри, удалось заметить с помощью чувствительных детекторов, установленных внутри пирамиды и вокруг неё.
Траектории частиц выявили неожиданное присутствие скрытой комнаты, о чём и было объявлено в 2017 году.
Успешный опыт подтолкнул физиков к использованию мюонов для исследования других археологических структур. Технологию, которая называется мюографией, используют и для картирования внутренностей вулканов.
«Вы действительно можете заглянуть внутрь вулкана», — говорит Джованни Леоне, геофизик из Университета Атакама в Чили. «Вид изнутри может дать дополнительную информацию для прогнозирования извержения вулкана».
На поверхности Земли мюоны присутствуют повсеместно. Они появляются, когда частицы с высоким зарядом, известные как космические лучи, сталкиваются с атмосферой земли. Дождь из мюонов, падающих под разными углами, непрерывно пронзает атмосферу. Достигнув поверхности Земли, эти частицы проникают внутрь крупных структур (например, пирамид).
Измерив, сколько частиц поглощается, проходя сквозь изучаемую структуру, можно установить плотность предмета и обнаружить его скрытые полости.
«Эта технология похожа на гигантскую рентгенограмму», — говорит Мариаэлена Д'Эррико, специалист по физике элементарных частиц Итальянского национального института ядерной физики в Неаполе, которая изучает гору Везувий с помощью мюонов. Только «вместо рентгена мы используем ... естественный источник частиц», бесконечный запас мюонов самой Земли.
Традиционно физики использовали космические лучи, чтобы лучше понять Вселенную. Но мюография перевернула эту традицию с ног на голову, использовав космические лучи для изучения ранее недоступных частей нашего мира.
«Частицы, прилетевшие из Вселенной, не применялись в нашей повседневной жизни», — замечает специалист по физике элементарных частиц Токийского университета Хироюки Танака.
Вместе с другими учёными Танака пытается изменить такое положение вещей.
Другой такой частицы нет
Мюоны идеальны для создания изображений крупных объектов. Масса мюона примерно в 207 раз больше массы электрона. Обладая такой дополнительной нагрузкой, мюоны могут проходить сквозь сотни метров горной породы, а то и более.
«То, как электрон и мюон проходят сквозь материю, можно сравнить с пулей и пушечным ядром», — говорит специалист по физике элементарных частиц Кристина Карлогану. «Пуля может застрять в стене, которое с лёгкостью пробьёт пушечное ядро».
Мюонов много и они везде — ими можно заменить искусственные источники радиации, которые требуются, например, для рентгенографии переломов костей в кабинете врача.
Мюоны «совершенно бесплатны», — замечает Карлогану, сотрудница Французского национального центра научных исследований и Французского национального института физики ядра и элементарных частиц.
Ливень из частиц
Протоны и другие частицы с высоким зарядом из космоса врываются в атмосферу Земли и образуют потоки других частиц. Пионы могут деградировать до мюонов, некоторые из которых достигают поверхности Земли вместе с трудно обнаруживаемыми нейтрино.
Есть одно большое преимущество мюонов: «Их очень легко обнаружить», — говорит Ричард Коузес, физик-ядерщик из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории в городе Ричленд штата Вашингтон. «С этой задачей справится простой детектор, изготовленный из пластиковых полосок и световых сенсоров. Другие детекторы мюонов — всего лишь навсего фотоплёнка особого типа. Других таких частиц не существует», — говорит Коузес.
Мюоны имеют отрицательный заряд, как и электроны. Их античастицы, антимюоны, которые также падают на Землю, имеют положительный заряд. Детекторы мюонов фиксируют траектории как негативно, так и негативно заряженных видов частицы. Когда эти частицы проходят сквозь материал, они теряют энергию разными способами, например, сталкиваясь с электронами и выбивая их из атомов.
Теряя таким образом энергию, мюоны замедляются, иногда до полной остановки. Чем плотнее материал, тем меньше мюонов смогут пройти сквозь детектор, помещённый под ним или рядом с ним. Таким образом, большие плотные объекты типа вулканов или пирамид отбрасывают тень из мюонов. И любые полости внутри этих структур в этой тени будут представлены в виде ярких пятен, поскольку они пропускают больше мюонов. Интерпретирование таких пятнистых теней может открыть путь в скрытые миры.
Просвечивая пирамиды
Мюография доказала свою состоятельность при исследовании пирамид. Метод начали использовать ещё в 1960-х, когда физик Луис Альварес и его коллеги занимались поиском тайных комнат в пирамиде Хефрена, второй по величине после пирамиды Хеопса в Гизе.
Детекторы не обнаружили следов скрытых комнат, но работоспособность метода была доказана.
Но для полномасштабного использования этой идеи потребовалось время, так как мюонные детекторы того времени были громоздкими и лучше всего работали в хорошо контролируемых лабораторных условиях.
Для обнаружения мюонов команда Альвареса пользовался детекторами, известными как искровые камеры. Искровые камеры наполнены газом и металлическими пластинами под высоким напряжением, и заряженные частицы, проходящие сквозь них, оставляют искрящийся след.
Сегодня, благодаря достижениям в физике элементарных частиц, искровые камеры почти не используются.
«Мы можем конструировать очень компактные, но очень надёжные детекторы», — говорит физик-ядерщик Эдмундо Гарсия-Солис из Чикагского государственного университета. Такие детекторы можно использовать для работы и за пределами хорошо контролируемых лабораторий.
Один тип безотказного детектора сделан из пластика, содержащего химическое вещество, именуемое сцинтиллятором, которое испускает свет, когда через него проходит мюон или другая заряжённая частица. Свет фиксируется и измеряется электроникой.
В этом году физики используют такие детекторы для того, чтобы снова исследовать пирамиду Хефрена, Коузес с коллегами сообщили об этом 23 февраля в «Журнале усовершенствованных научных приборов» («Journal for Advanced Instrumentation in Science»).
«Достаточно компактные, способные уместиться в двух больших ящиках для переноски, эти детекторы можно занести в пирамиду и управлять ими с помощью портативного компьютера, — вот и всё», — говорит Коузес.
Вид изнутри
Учёные поместили три различных типа мюонных детекторов внутри Великой пирамиды и вокруг неё, чтобы составить карту плотностей структуры и найти скрытые комнаты.
Другой, особенно простой в эксплуатации тип детектора, именуемый плёнкой с ядерной эмульсией, оказался крайне эффективным для обнаружения потаённой комнаты в Великой пирамиде в 2017 году. Ядерная эмульсия фиксирует следы частиц на особом типе фотоплёнки. Детекторы оставляют на месте исследования на некоторое время, затем переносятся в лабораторию для анализа зафиксированных на них следов.
Специалист по физике элементарных частиц из Нагойского университета Кунихиро Морисима способствовал обнаружению тайной комнаты, работая над международным проектом ScanPyramids.
«Ядерные эмульсии обладают малым весом, компактны и не требуют источника питания», — объясняет он. Это значит, что можно было разместить несколько детекторов в основных местах для обзора — в одной из комнат пирамиды — Палате царицы, и в соседствующей с ней небольшой нише. Измерения детекторов были дополнены пластиковыми сцинтилляторными детектором внутри Палаты царицы и газовыми детекторами снаружи пирамиды.
После обнаружения полости Морисима с коллегами продолжили производить дополнительные измерения, чтобы более подробно описать её свойства. Команда расположила эмульсионные детекторы в 20 точках пирамиды, а также газовые детекторы в нескольких местах. Используя этот массив инструментов, исследователи установили, что полость имеет глубину 40 метров. Её предназначение остаётся загадкой.
Другая команда исследователей планирует более масштабное изучение Великой пирамиды Хеопса с помощью более крупных детекторов, расположенных за пределами пирамиды. Детекторы будут периодически перемещаться с целью измерения мюонов под различными углами, сообщили учёные в «Журнале усовершенствованных научных приборов» 6 марта.
«В результате будет получено трёхмерное изображение интерьера пирамиды», — говорит соавтор исследования, специалист по физике элементарных частиц Алан Бросс из лаборатории «Фермилаб» в городе Батавия штата Иллинойс.
Также более более внимательно изучаются пирамиды в других частях света. Сейчас Гарсия-Солис с коллегами планируют провести мюографию пирамиды Майя, известную как пирамида Кукулькана в Чичен-Ица в Мексике. Морисима со своими коллегами также планируют проведение работ на пирамидах Майя.
«Учёные надеются, что с помощью таких исследований можно будет обнаружить новые комнаты, либо особенности конструкции, невидимые для других методов исследования внутреннего строения объектов. Ультразвук, георадиолокация или рентген способны проникать только на небольшое расстояние от поверхности», — объясняет Бросс.
Мюоны дают «углублённую» картинку. Бросс считает, что для исследования пирамид «мюоны действительно идеальны».
Вглядываясь в жерло вулкана
Везувий — известная угроза Неаполю и окружающим его муниципалитетам, облепившим окраины вулкана. Печально известный разрушением древнего города Помпеи в 79 году н.э., вулкан молчит с 1944 года, когда крупное извержение уничтожило несколько близлежащих деревень. Если он извергнется, в опасности окажутся примерно 600000 людей, живущих в непосредственной близости от вулкана, а также многие другие в окрестностях.
«Везувий всегда пугал меня», — говорит Д'Эррико. «Я родилась и живу под этим вулканом».
Сегодня, в рамках эксперимента по мюонной радиографии Везувия MURAVES, она пытается лучше понять вулкан и опасность, которую он представляет.
Используя мюонные детекторы, установленные в полутора километрах от кратера вулкана, учёные составляют карту плотностей мюонов, а значит - плотностей пород на вершине конуса Везувия. В работе, опубликованной 24 февраля на arXiv.org, исследователи представили предварительные намётки разниц между плотностями северо-западной и юго-восточной половин. Сбор данных для эксперимента MURAVES продолжается; будущие наблюдения должны помочь учёным понять нюансы внутреннего строения вулкана, которое из-за его многократных извержений считается многослойным.
«Информация о структуре вулкана может помочь учёным спрогнозировать опасности, которых следует ожидать в случае его извержения - допустим, в каких местах могут случиться оползни. Это, в свою очередь, поможет учёным понять какие меры следует предпринять, чтобы снизить риски для живущих поблизости людей», — говорит Карлогану, которая изучала спящий вулкан Пюи-де-Дом рядом с Клермон-Ферран во Франции с помощью мюографии и сейчас работает на итальянском острове с говорящим названием Вулкан.
«Когда в 1980 году в штате Вашингтон произошло извержение вулкана на горе Сент-Хеленс, обвалился целый склон. Эта катастрофа унесла жизни 57 человек и вызвала масштабные разрушения. Если учёным будут известны слабые места в структуре вулкана, они смогут лучше прогнозировать каким образом будет происходить извержение и какие регионы лежат в опасной зоне», — говорит Карлогану.
Карлогану отмечает, что мюоны будут полезны для выявления структурных брешей, но не для того, чтобы сигнализировать о начале извержения вулкана. Другие исследователи испытывают больше оптимизма относительно способности мюонов своевременно сообщать об опасности.
«Мюография созрела для включения в системы раннего оповещения об извержениях вулканов», — написали в ноябре прошлого года в секции А "Трудов Королевского Общества" Леоне, Танака и их коллеги. «Но требуется ещё большое количество работы, чтобы интегрировать мюографию с другими установленными методами предупреждения предстоящих извержений», — говорит Леоне.
Эти методы включают в себя сейсмические измерения, а также наблюдения за деформациями почвы и выброса вулканических газов.
Танака с коллегами изучают Сакурадзиму, один из наиболее активных вулканов в мире, рядом с японским городом Кагосима. Один из кратеров вулкана, кратер Сёва, часто извергался до 2017 года, после чего активность резко перешла на другой кратер, Минадимакэ.
«При сравнении данных мюографии, полученных до и после этого перехода активности обнаружилось, что под кратером Сёва образовался новый плотный участок», — сообщили Танака с коллегами в 2019 году в журнале «Geophysical Research Letters». «Это намекает на то, каким образом прекратились извержения Сёвы: она была закупорена плотной пробкой из затвердевшей магмы», — говорит Танака.
«Эти результаты предполагают, что учёные могут использовать мюографию для прогнозирования извержений вулканов», — говорит Танака.
Фактически, используя технологию глубокого изучения на данных, полученных на Сакурадзиме, Танака и коллеги сообщили в журнале Scientific Reports в 2020 году, что они смогли спрогнозировать произошедшее на следующий день извержение, проанализировав данные предыдущей недели. С помощью этого метода стало возможным точное прогнозирование дней извержения вулкана более чем в 72% случаев, а точное прогнозирование дней спокойствия — более чем в 85% случаев.
Точно так же, как открытие рентгеновского излучения раскрыло абсолютно новый способ исследования мира, и обуздание мюонов может изменить наш взгляд на окружающее. Быть может, однажды мюоны будут спасать жизни людей.
Обнаружена контрабанда
Рентгеновское зрение Супермэна впечатляло. Однако, некоторые учёные отдадут предпочтение мюоновскому зрению. Например, мюоны могут помочь госслужащим заглянуть в транспортный контейнер, «чтобы посмотреть нет ли внутри чего-нибудь подозрительного», — говорит специалист по физике элементарных частиц Лувенского католического университета в Бельгии Андреа Гайаменко. Финансируемый Евросоюзом проект под названием «Тихая граница» (Silent Border) нацелен на разработку метода обнаружения опасной контрабанды на таможенных пунктах без необходимости физического вскрытия и проверки каждого проходящего контейнера.
Основным моментом этого метода является измерение рассеивания мюонов. Когда мюоны проходят сквозь материал, некоторые из них поглощаются, а некоторые рассеиваются, изменяя направление движения. Используя детекторы над и под объектом, учёные могут наблюдать за изменением траектории мюона во время его прохождения сквозь объект. Так как мюоны имеют тенденцию рассеиваться под большим углом от материалов, изготовленных из более тяжёлых элементов, с помощью этого метода можно обнаружить такие вещества как уран.
Измерение рассеивания мюонов также может быть полезным при рассматривании контейнеров для хранения ядерных отходов с целью выяснить что у них внутри и исключить кражу опасных веществ или другие нечистые дела.
Кроме того, Гайаменко с коллегами изучают рассеивание мюонов для измерения сильных магнитных полей, что может быть полезно для мониторинга определённых технологий, которые полагаются на эту магнитную мощь. Сюда входят экспериментальные термоядерные реакторы, которые, как надеются учёные, возможно однажды обеспечат планету энергией.
Автор — Эмили Коновер (Emily Conover).
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК».
Источники: https://www.sciencenews.org/article/muon-subatomic-particle-volcano-pyramid-physics.
Вам также может быть интересно:
