Человеческая цивилизация хорошо освоила электроны, создав интернет, фотоны, создав беспроводно интернет и нейтроны, создав ядерную электростанцию для бесперебойного интернета. Но в физике еще много безработных частиц! Рассмотрим варианты коммерческого применения мюонов прямо сейчас и в далеком будущем.
Фотоны незаменимы?
Сейчас трудно переоценить значение связи, разведки и геолокации. Все эти отрасли обслуживают радиоволны, рабочей лошадкой в которых являются фотоны. Связь это доставка фотона из излучателя в приемник. Дальнее зондирование Земли - это путешествие фотона на разведку - туда и обратно.
Система определения географического положения основана на передаче сигналов точного времени. Скорость фотонов в атмосфере близка к скорости света и почти одинаковая для каждой частицы, что удобно для расчетов. Фотон - стабильная частица и не распадется пока летит от источника сигнала к потребителю, однако плотные материалы могут стать преградой. Фотоны успешно преодолевают атмосферу, но не могут пройти сквозь стены зданий, горы и землю. Поэтому, людям приходится поднимать источник сигнала повыше - над возможными препятствиями.
Сотовые вышки бывают от 10 до 100 метров в высоту, телебашни, часто - самые высокие объекты в городах. Поместив источники сигнала на спутники, мы достигли максимальных высот. Однако, невозможно получить сигнал от спутника в подвале, под водой, в шахте и иногда даже в колодце двора не получается. Это относится к любым сигналам для связи, локации и разведки.
Какие есть альтернативы у фотонов?
Отправить на работу другие частицы физики предлагали с самого их открытия в середине прошлого века. Для этого нужно заменить фотоны на мюоны - тяжелые "родственники" электронов, которые единственные из заряженных частиц обладают высокой проникающей способностью. Мюоны имеют массу, их скорость ниже чем у фотонов, хотя и околосветовая. Кроме того они распадаются со временем. Но времени жизни достаточно для применения в технике. Еще большей длиной свободного пробега при той же энергии обладают легчайшие частицы - нейтрино. Однако, их трудно улавливать. Для глобальной цели, например, изучения ядра Солнца эта задача решаема, но для коммерческих задач пока что избыточно сложна. Получается, связь и разведка на основе мюонов - самая перспективная альтернатива для физики частиц в ближайшем будущем.
Откуда взять мюоны?
Так удачно сложилось, что естественный "передатчик" мюонов находится гораздо выше искусственных спутников Земли - в космосе. К нам периодически прилетают космические лучи высоких энергий. Впрочем, мюонов в их составе нет, они бы не смогли преодолеть бескрайние космические расстояния до момента своего распада. Мюоны образуются в результате каскадной реакции распада и рождения новых частиц, вызванной столкновением протонов из космоса с атомами и молекулами атмосферы.
Получается, специально производить мюоны не нужно, а это крайне удобно. Например, антиматерия тоже имеет полезное применение, но производить ее могут только крупнейшие институты физики частиц типа CERN, что делает ее одним из самых дорогих веществ на Земле. А мюоны буквально валятся на нас с неба.
Мюонография
При помощи мюонов космического происхождения можно «просвечивать» крупные плотные объекты. Например, пирамиды, вулканы и основание ядерных реакторов. Достаточно разместить под чем-то интересным детектор мюонов и можно получить «снимок». Уже сейчас мюография используется для изучения внутренней части вулкана Везувий, древней Городской стены в Китае, Альпийских ледников и ядерного реактора во Франции.
Почему проходящие сквозь объекты частицы создают «снимки»?
Мюоны - как приведения - проходят сквозь плотные тела, не задевая их. Как тогда получаются снимки внутренней структуры? Например, рентгеновский снимок показывает что рентген-фотоны прошли сквозь мягкие ткани и не прошли сквозь кости, а мюоны проходят сквозь все гораздо легче. Однако, в мире частиц все - вопрос вероятностей. Более плотные участки гор и строений с большим шансом поглотят любую частицу, включая мюон. Кроме того, замедлят его бег, повлияв на преломление. Это как стакан с водой: вы всегда можете понять, в каком стакане вода, а каком ее нет, несмотря на то что и стекло и жидкость - прозрачные. На этих двух принципах - поглощении и рассеивании построены основные виды мюонной «фотографии».
Отличия от рентгенографии
Только в России - тысячи опасных производственных объектов. Слово «опасный» содержится в названи не просто так. Например, фосфатные удобрения делают растворяя апатиты тысячами тонн кипящей серной кислоты. И лучше бы подобным растворителям не покидать родных сосудов под давлением. На страже нашей безопасности - неразрушающий контроль всех сварных соединений. И многие из них контролируются рентгеном. Рентгенография - рабочая лошадка промышленной безопасности.
Впрочем, у рентгена есть минусы. На высокие сооружения затаскивать рентген-аппарат тяжело. В заглубленные объекты (например, под землей) приходится посылать специальных роботов. Единственная защита человека от лучевой болезни - не стоять на пути луча, что выливается в «защиту расстоянием»: перед включением отойди на 1,5 километра. А что делать в местах, где много людей? Мюонография лишена всех этих недостатков.
GPS на мюонах
В июне 2023 года физики из Токийского института испытали прототип устройства, положение которого определяется через обнаружение космических мюонов четырьмя наземными станциями, связанными с беспородным устройством. Испытатели ходили по подвалу шестиэтажного здания и получили точность определения позиции от 2 до 25 метров на расстоянии 100 метров от станций. Со временем точность планируется довести до 1 метра, дальность сделать неограниченной на Земле и под земелей.
Приемник сигналов от стационарных станций-детекторов можно сделать компактным чтобы он поместился в корпусе смартфона.
Текущее состояние GPS на мюонах
Несмотря на успешные испытания, проблемы у muPS тоже есть. Основная - роднит проект на космических лучах со стандартной системы GPS или ГЛОНАСС - синхронизация времени. Из-за принципа работы, часы приемника и всех излучателей должны быть синхронизированы очень точно. Для спутников приходится даже учитывать разницу в скорости течения времени на уровне моря и на орбите. Иначе ошибка позиционирования достигала бы километра. Впрочем, это не принципиальная проблема. Есть множество вариантов сверхточного определения времени.
Другое пожелание - иметь возможность излучать мюоны при помощи земных приборов, а не только улавливать космические.
Мюонная связь будущего
Если бы физики смогли создавать радио-вышки на излучении мюонов, высота перестала бы иметь значение. Потребность в спутниках связи бы отпала. Сигнал точного времени давали бы наземные станции прямо сквозь поверхность планеты в любую точку. Так же могли бы работать разведка и сотовая связь. К наземным станциям легко проложить электричество и интернет, допустить работников для обслуживания. Как только мюонная связь вышла бы на рынок, она вытеснила бы любую другую наземную. А вот для связи с далеким космосом мюоны не подходят из-за ограниченного времени жизни. Июня
Оружие
Если мюоны легко проходят сквозь железо и не так легко сквозь уран, а нельзя ли нагреть урановое составляющее ядерного оружия совершенно незаметно с большого расстояния без прямой видимости? В теории можно. Мюоны и нейтрино высоких энергий могли бы лишать страны ядерного щита. Но такие технологии пока что никто разрабатывать даже не предлагал.
Резюме
Рынки дефектоскопии и услуг геопозиции очень велики. Еще большим объемом обладает рынок связи. У технологий, основанных на необычной физике есть как научный потенциал, так и коммерческий. Рискну сделать прогноз о том, что миллиардеры будущего будут черпать богатства из космоса или из ускорителя частиц.
Что еще почитать?
Автор статьи - физик Георгий Тимс для проекта «Физика для гуманитариев». При копировании, пожалуйста, указывайте авторство. Социальные сети проекта: Телеграмм канал, Ютуб канал