Dodano: 26 maj 2018r.

Miony – cząstki pomagające zbadać nieprzeniknione

Miony to wszechobecne cząstki, które pozwalają naukowcom mapować wnętrza piramid czy wulkanów. Dzięki nim można też wykrywać odpady nuklearne. Ale to tylko część możliwości, które dają nam miony.

 

Dzięki mionom w zeszłym roku archeolodzy dokonali niesamowitego odkrycia nieznanej wcześniej komory w Wielkiej Piramidzie. Dzięki technice wykorzystującej skanowanie strumieniami mionów, naukowcy potwierdzili obecność dużej, pustej przestrzeni w piramidzie Cheopsa. Wulkanolodzy i inżynierowie nuklearni także znajdują nowe zastosowania dla tej techniki zwanej mionografią (radiografia mionowa). To nowa, specjalistyczna technika, która pochodzi ze świata fizyki wysokich energii.

- Odkrycie w piramidach w ubiegłym roku dało prawdziwego „kopa” mionografii – powiedział David Mahon, fizyk z Uniwersytetu w Glasgow, współorganizator międzynarodowego spotkania pod nazwą Cosmic-ray Muography, które w ubiegłym tygodniu odbyło się w Newport Pagnell w Wielkiej Brytanii. Technika ta pozwala badać wnętrza gęstych struktur i już pojawiły się przedsiębiorstwa pragnące skomercjalizować technologię.

Miony są wszędzie

Miony to naładowane ujemnie nietrwałe cząstki elementarne należące do kategorii leptonów. Są spokrewnione z elektronami – posiadają takie same własności, ale ponad 200 razy większą masę. Powstają, gdy wysokoenergetyczne cząstki zwane promieniami kosmicznymi zderzają się z jądrami atomów gazów w ziemskiej atmosferze. To tzw. wtórne promieniowanie kosmiczne. Z tych zderzeń powstają właśnie miony. Ich najciekawszą cechą jest to, że potrafią do pewnego stopnia przenikać przez materię.

Podróżując z prędkością zbliżoną do prędkości światła miony bombardują Ziemię ze wszystkich stron. Każdy obszar naszej planety o wielkości dłoni jest uderzany mniej więcej jednym mionem na sekundę. Cząstki te mogą przenikać przez setki metrów stałego materiału, zanim zostaną zaabsorbowane.

- Ich wszechobecność i moc przenikania sprawiają, że miony są idealne do obrazowania dużych, gęstych obiektów bez uszkadzania ich – tłumaczyła Cristina Cârloganu z Laboratorium Fizyki w Clermont-Ferrand we Francji. Im gęstszy materiał, tym więcej energii pochłania z cząstek, więc fizycy mogą śledzić, jak często miony o różnych energiach docierają do detektorów umieszczonych wokół celu. Dzięki temu można stworzyć profil 3D wnętrza określonej struktury.

 

Fizycy eksperymentowali z tą techniką od lat 50. XX wieku. Zastosowali ją do skanowania piramid, jednak bez efektów. W tamtych czasach nie było odpowiedniej technologii. Dopiero stosunkowo niedawno opracowano sposoby dokładniejszego śledzenia ścieżek tych naładowanych cząstek. Dzięki badaniom fizyków detektory mionów są mniejsze, ale przede wszystkim bardziej czułe.

Wulkany stały się popularnym celem tej techniki. Wszystko to dzięki pionierskiej pracy naukowców w Japonii. - Mapowanie kanałów lawowych, które pochłaniają mniej energii z mionów niż otaczające je gęsta skała, może pewnego dnia pomóc w przewidywaniu erupcji wulkanów - przyznała Cârloganu.

W tym roku badacze przymierzają się do zobrazowania wnętrza Wezuwiusza. - W połączeniu z bardziej konwencjonalnymi metodami geofizycznymi, obrazy te mogą pomóc wulkanologom wywnioskować, które części wylecą w powietrze jako pierwsze podczas erupcji – powiedział  Raffaello D'Alessandro, fizyk cząstek elementarnych na Uniwersytecie we Florencji. Jest on członkiem projektu MIR Radiography of Vesuvius, znanego jako Muraves.

Mniejsze detektory są wykorzystywane w archeologii. Mapowanie piramid to te spektakularne badania. Ale technika ta była wykorzystywana również w innych miejscach. Archeolodzy stworzyli dzięki niej mapy tuneli pod Neapolem, w jego najstarszych częściach. Zespół D'Alessandro będzie badał przy użyciu detektorów mionowych katedrę we Florencji, gdzie zauważono pęknięcia w ścianach. Dzięki temu można będzie ocenić stan budynku.

Komercjalizacja mionów

Podczas konferencji zaprezentowano szereg komercyjnych zastosowań dla mionografii. Niektóre z nich wykorzystują nieco inną technikę, która śledzi, w jaki sposób miony zmieniają kierunek, kiedy uderzają w materiał. Umieszczając detektory po obu stronach próbki, fizycy mogą odtworzyć trajektorię cząstki. A ponieważ kąt odchylenia koreluje z gęstością substancji, w którą uderza mion, badanie tych ścieżek może pomóc w stworzeniu mapy gęstości badanego materiału.

Dzięki temu inżynierowie mogą wykryć choćby zabłąkane fragmenty uranu w pojemnikach z odpadami radioaktywnymi, nawet jeśli są one zamknięte w betonie lub stali.

- Miony są jedynym sposobem, by uzyskać informacje na temat tego, co znajduje się głęboko wewnątrz struktury – podkreślił Mahon. Jego firma - Lynkeos Technology, wkrótce rozpocznie badania obrazowania odpadów jądrowych.

Podobna technologia pozwala obrazować wnętrza reaktorów jądrowych. Pracują nad nią fizycy z Narodowego Laboratorium Los Alamos w USA. Zresztą skanowanie mionami było stosowane do zobrazowania wnętrza reaktora w Fukushimie po katastrofie z 2011 roku. 

Izraelska firma Lingacom, z siedzibą w Tel Awiwie, bada również możliwości zastosowania tego typu obrazowania podczas kontroli bezpieczeństwa np. na lotniskach czy przejściach granicznych. Przedsiębiorstwa z sektora wydobywczego również są zainteresowane technologią. Można jej użyć do śledzenia nieszczelności w rurociągach przesyłowych czy do poszukiwania cennych minerałów.

Mimo coraz to nowych zastosowań dla tej technologii często traktowana jest ona z przymrużeniem oka. – Kiedy chociażby mówię geologom, że mamy technologię mionową, to oni pytają: Czym są miony?. Są zafascynowani, ale też trochę nieufni – przyznał Giulio Saracino, fizyk z Uniwersytetu w Neapolu.

 

Źródło: Nature, fot. Scan Pyramids Mission