Физики впервые получили изображение объекта, используя не рентгеновские лучи и не радиоволны, а поток мюонов, созданный мощнейшим лазером. Установка Extreme Light Infrastructure Nuclear Physics (ELI-NP) в Румынии позволила получить своеобразную «фотографию» объекта, скрытого за двухметровой бетонной стеной.
Снимок пока выглядит скорее как размытая тень, чем как фотография в привычном смысле. Но сам принцип может оказаться чрезвычайно полезным: мюоны способны проходить через гораздо более толстые слои вещества, чем рентгеновское излучение. В перспективе такая технология может позволить заглядывать внутрь горных пород, крупных металлических конструкций и исторических сооружений, не разрушая их.
Что такое мюоны и почему они проходят сквозь стены
Мюоны — элементарные частицы, похожие на электроны, но значительно тяжелее. В природе они постоянно возникают в верхних слоях атмосферы, когда космические лучи сталкиваются с атомами и запускают каскад вторичных частиц.
В ходе этих столкновений образуются пионы, которые практически мгновенно распадаются с образованием мюонов. Сами мюоны тоже нестабильны и существуют совсем недолго, однако их высокой энергии хватает, чтобы достичь поверхности Земли.
Главное преимущество мюонов для томографии — способность проникать через плотное вещество. Они проходят через десятки и сотни метров породы, поэтому естественный поток мюонов уже давно используют для исследования объектов, которые невозможно просветить обычными методами.
Именно так работает мюонная томография, или мюография. Например, с ее помощью ученые исследовали внутреннюю структуру египетских пирамид и искали скрытые полости глубоко под землей.
Но у природного источника есть серьезный недостаток: поток космических мюонов сравнительно слабый и приходит преимущественно сверху. Если требуется быстро получить изображение объекта сбоку или исследовать конкретное место, ждать подходящего потока частиц не слишком удобно.
Поэтому физики давно пытаются создать искусственный источник мюонов.
Как лазер создает поток мюонов
Именно здесь в дело вступает лазер ELI-NP мощностью 10 петаватт.
Петаватт — это квадриллион ватт. Конечно, такая мощность существует лишь в течение чрезвычайно короткого лазерного импульса. Но даже этого мгновения достаточно, чтобы создать экстремальные электрические поля и разогнать электроны до огромных энергий.
Затем ускоренные электроны направляются на мишень. При столкновении возникает каскад частиц, среди которых появляются мюоны. Таким образом, лазер фактически превращается в инструмент для производства частиц, способных просвечивать очень плотные материалы.
Предыдущие эксперименты уже показали, что подобный способ генерации мюонов возможен. Однако оставался вопрос: можно ли получить из такого искусственного источника достаточно чистый и управляемый поток, чтобы с его помощью действительно сформировать изображение?
Как удалось получить «фотографию» сквозь бетон
Исследователи разработали специальную систему фильтрации, которая должна была максимально убрать из потока нежелательные частицы.
Фильтр состоял из листов полиэтилена, размещенных вокруг блоков парафина. После прохождения через него поток становился значительно более пригодным для мюонной томографии.
Затем мюоны направили на двухметровую бетонную стену — это примерно шесть футов бетона. За стеной находился массив детекторов, установленный внутри фургона. Перед источником и детекторами разместили объект из свинцовых грузов.
Мюоны проходили через бетон, взаимодействовали с материалом на своем пути и достигали детекторов. Из распределения зарегистрированных частиц исследователи смогли восстановить силуэт свинцовых блоков.
Получившееся изображение далеко от качества обычной фотографии. Однако для физиков оно стало принципиальным доказательством того, что искусственно созданный лазером поток мюонов можно использовать для получения изображения через толстый слой материала.
Авторы работы называют эксперимент первой официальной мюографией, полученной с помощью лазерного источника мюонов.
Почему нельзя просто использовать космические мюоны
На Землю постоянно падает естественный поток мюонов, и именно он уже используется в современной мюонной томографии. Тогда зачем понадобилась гигантская лазерная установка?
Ответ — в управляемости.
Естественные мюоны приходят с ограниченного набора направлений и образуются с относительно небольшой интенсивностью — примерно один мюон на квадратный сантиметр в секунду. Поэтому для некоторых задач приходится собирать данные довольно долго.
Искусственный источник потенциально позволяет создавать более интенсивный поток и направлять его туда, куда необходимо исследователю. Это открывает возможности для совершенно другого класса мюонных сканеров.
Представьте рентгеновский аппарат, только вместо рентгеновских фотонов он использует частицы, способные проходить через метровые слои бетона или породы. Именно такой подход в перспективе может превратить мюонную томографию из преимущественно стационарного исследовательского метода в более универсальный инструмент неразрушающего контроля.
Где технология может пригодиться
Одно из очевидных направлений — промышленная диагностика. Мюоны могут просвечивать крупные металлические конструкции, которые слишком массивны для традиционных методов контроля.
Еще интереснее применение в горном деле. Мюонная томография уже позволяет исследовать внутреннее строение горных массивов. Управляемый источник мог бы сделать подобные исследования быстрее и предоставить больше возможностей для выбора направления сканирования.
Есть и археологические задачи. Мюоны способны проникать через большие объемы камня, поэтому с их помощью можно искать скрытые полости внутри древних сооружений, не разбирая стены и не сверля отверстия.
В перспективе подобные системы могут применяться и для исследования крупных конструкций — от массивных металлических объектов до элементов инфраструктуры.
От гигантского лазера к переносному сканеру
Пожалуй, самая интересная часть этой работы заключается в том, чего в эксперименте пока нет.
ELI-NP — огромный научный комплекс. Его 10-петаваттный лазер совершенно не похож на устройство, которое можно поставить рядом с шахтой или историческим памятником. Поэтому о практическом переносном мюонном сканере сегодня говорить еще рано.
Однако сам эксперимент демонстрирует принципиальную возможность создать искусственный источник мюонов, пригодный для формирования изображений. Следующий этап — уменьшение размеров оборудования, повышение интенсивности и качества потока частиц, а также совершенствование детекторов и алгоритмов реконструкции изображения.
Если эти задачи удастся решить, мюонная томография получит важное преимущество: возможность не просто наблюдать частицы, которые случайно приходят из космоса, а фактически управлять направлением и характеристиками «космического рентгена».
Пока полученная картинка выглядит довольно скромно. Но иногда именно размытая первая тень становится началом совершенно нового способа видеть то, что раньше было недоступно человеческому взгляду.
