Лазерні мюони зазирнули крізь два метри бетону й побачили свинець

Команда фізиків у Румунії вперше чітко продемонструвала, що за допомогою лазера можна штучно створити промінь мюонів і «сфотографувати» об’єкти, приховані за товстим шаром бетону. Як повідомляє New Atlas, дослідникам вдалося побачити свинцеві вантажі крізь двометрову (близько шести футів) бетонну стіну.

Результати описані в препринті на сервері arXiv і вважаються важливою віхою у розвитку технологій візуалізації, які можуть стати в пригоді у сфері безпеки, гірничої справи, а також для дослідження великих конструкцій.

Що таке мюони і чому вони бачать крізь камінь

Мюони — це важкі «родичі» електронів. У природі вони масово з’являються, коли швидкісні протони космічних променів врізаються в атоми у верхніх шарах атмосфери, породжуючи короткоживучі частинки піони. Ті майже миттєво розпадаються на мюони, які, у свою чергу, існують лише мить, перш ніж розпастися на легші частинки та нейтрино.

Попри короткий час життя, мюони встигають досягати поверхні Землі. Завдяки своїй великій масі вони легко пронизують ґрунт і камінь, проходячи набагато глибше, ніж навіть найпотужніше рентгенівське випромінювання. Саме цей ефект уже десятиліттями використовують археологи й інженери, застосовуючи природний «дощ» мюонів для пошуку порожнин у пірамідах чи родовищ корисних копалин під землею.

Такий метод, відомий як муонна томографія, має суттєві обмеження: мюони з космосу приходять з невисокою інтенсивністю (приблизно один на квадратний сантиметр за секунду) й у відносно вузькому діапазоні кутів. Тож отримати зображення «збоку» або просто зробити його швидко досі було складно.

Як лазер перетворили на джерело мюонів

Один зі способів створити мюони штучно — використати надпотужні лазери, які розганяють електрони на хвилях електромагнітного поля й спрямовують їх у мішень. Торік окремі наукові групи в Китаї, США та Великій Британії вже показували, що так можна отримати мюони, продемонструвавши принципову здійсненність технології.

Інша міжнародна команда, очолювана дослідниками з Ліверморської національної лабораторії ім. Лоуренса та Університету штату Колорадо, застосувала схожу методику, щоб отримати спалах частинок і відзняти свинцеві вантажі всередині вантажівки. Однак частка мюонів у тому потоці залишилась невизначеною, тому статус «першого офіційного знімка» тоді ще був дискусійним.

У новій роботі використано 10-петаватний лазер комплексу Extreme Light Infrastructure – Nuclear Physics (ELI-NP) у Румунії. Упродовж надкороткого імпульсу його промінь має потужність, що в тисячі разів перевищує сукупну потужність усіх енергосистем планети. Цим імпульсом розганяють електрони, які потім врізаються в свинцеву перешкоду.

Щоб відфільтрувати якомога більше частинок, що не є мюонами, дослідники створили спеціальний фільтр із поліетиленових листів, обгорнутих парафіновими блоками. Після проходження цієї системи залишався відносно чистий потік мюонів, який спрямували крізь бетонну стіну завтовшки два метри до масиву детекторів у фургоні по інший бік.

Перший офіційний «муонограф» з лазера

Біля фургона розмістили масив свинцевих блоків, які мали стати тестовою ціллю. Детектори зафіксували «тінь» цих вантажів — на зображеннях видно різницю між випадком із розміщеними свинцевими блоками та без них.

Хоча отримані «фотографії» виглядають зернистими й мало деталізованими, автори роботи вважають їх першим офіційним муонним знімком об’єкта, створеним штучним потоком мюонів від лазера. Саме поєднання контрольованого джерела та чітко ідентифікованих мюонів робить результат принципово новим.

Майбутні застосування: від ракет до пірамід

Нинішня установка далека від компактного приладу: 10-петаватний лазер — це гігантська інфраструктура. Однак дослідники припускають, що з подальшою мініатюризацією й удосконаленням детекторів принцип можна буде втілити в переносних або мобільних системах.

У перспективі подібні муонні «рентгени» могли б зазирати крізь сталеві корпуси ракет і вантажних контейнерів, у товщу гірських масивів або кам’яні фундаменти стародавніх споруд — там, де звичайне рентгенівське чи гамма-випромінювання або надто слабке, або небезпечне. Поки що це лише можливий напрям розвитку, але нинішній експеримент демонструє, що «бачити» крізь метри бетону за допомогою лазерно створених мюонів уже реально.