Mionami z tajemnice starożytnych struktur, wulkanów i nie tylko. Pokaż kotku co masz w środku
Wewnątrz egipskiej Wielkiej Piramidy w Gizie znajduje się przynajmniej jedna, jeśli nie więcej, tajenicza pusta przestrzeń (1), której od czterech i pół tysiącleci nie widział żaden żyjący człowiek. Istnienie tych komór podejrzewaliśmy wcześniej na podstawie niezbyt jasnych przekazów historycznych, jednak dopiero wiązki mionowe dały nam, jeśli nie dowód czy wyraźny obraz, to na pewno silną poszlakę, że tam w środku muszą być jakieś pomieszczenia.
Aby zyskać nowy wgląd do wnętrza piramidy, naukowcy podążyli ścieżkami maleńkich cząstek subatomowych zwanych mionami. Cząstki te, powstające wysoko w ziemskiej atmosferze, mkną ku powierzchni i wdzierają się do wnętrza piramidy. Niektóre z nich odcisnęły na czułych detektorach znajdujących się w piramidzie (2) ślady tego, co po drodze napotkały. Ścieżki cząstek ujawniły obecność pustej przestrzeni, co ogłoszono w 2017 r. Było to głośne w mediach wydarzenie.
i wokół niej, aby sporządzić mapę gęstości struktury i poszukać ukrytych komór
Zapoczątkowało to wśród fizyków ruch zmierzający do wykorzystania mionów do badania innych struktur archeologicznych i nie tylko.
Wykorzystać naturalną kaskadę cząstek
Miony są wszechobecne w ziemskiej atmosferze, na powierzchni planety i pod nią. Powstają, gdy wysokoenergetyczne cząstki z kosmosu, czyli promieniowanie kosmiczne, uderzają w cząstki ziemskiej atmosfery. Protony i inne wysokoenergetyczne cząstki z kosmosu generują tam kaskadę rozpadu cząstek. Powstałe ze zderzeń piony i kaony mogą rozpadać się na miony, których część dociera do powierzchni Ziemi wraz z trudnymi do wykrycia neutrinami. Nieustannie opadają przez atmosferę pod różnymi kątami. Gdy docierają do powierzchni Ziemi, przenikają do struktur naziemnych i podziemnych.
Pomiar liczby cząstek pochłanianych podczas przechodzenia przez strukturę może ujawnić gęstość obiektu, zdradzając jednocześnie jej zmiany czyli ukryte we wnętrzu szczeliny, puste miejsca lub materiały o różnej gęstości. Nie różni się to co do zasady od zdjęć rentgenowskich. W mionografii wykrywa się jednak nie pęknięcia kości lecz struktur kamiennych, skalistych itp.
Masa mionu jest około 207 razy większa od masy elektronu. Ta dodatkowa masa oznacza, że miony mogą przemierzać przez kamienną masę nawet setki metrów. Różnica między elektronem a mionem przechodzącym przez materię jest taka, jak między pociskiem a kulą armatnią. Większa masa to większa energia uderzenia i przenikania.
Mionów niejako "z natury" jest pod dostatkiem, więc nie ma potrzeby tworzenia sztucznych wiązek, które są potrzebne np. do wykonywania zdjęć rentgenowskich. Są niejako za darmo. Musimy jedynie dokonać ich detekcji. Właściwie i tu jest nieźle, bo są łatwe do wykrycia. Wystarczy prosty detektor złożony z warstw plastiku i czujników światła. Jednak, jak to zwykle bywa, diabeł tkwi w szczegółach. Im precyzyjniej wyłapujemy i opisujemy miony, tym więcej wiemy o obiekcie który przeszyły. Zatem warto doskonalić techniki detekcji.
Miony mają ujemny ładunek elektryczny, podobnie jak elektrony. Ich antycząstki, antymiony, które również spadają na Ziemię, mają ładunek dodatni. Detektory mionów wychwytują ślady zarówno ujemnie, jak i dodatnio naładowanych odmian. Kiedy cząstki te przechodzą przez materiał, tracą energię na różne sposoby, na przykład zderzając się z elektronami i wybijając je z atomów. Po utracie energii miony zwalniają, czasem na tyle, że się zatrzymują. Im gęstszy jest materiał, tym mniej mionów przedostanie się do detektora umieszczonego pod lub obok badanego obiektu. Duże, gęste obiekty, takie jak wulkany czy piramidy, rzucają cień mionowy.
Szczeliny w tych strukturach pojawiają się jako jasne plamy w tym cieniu, ponieważ może się przez nie przedostać większa liczba mionów. Interpretacja obrazów tych plam i nieregularności pomaga odkrywać strukturę bez konieczności przeprowadzania wierceń, przebijania się itp. ingerencji w strukturę.
Mionografia została przetestowana po raz pierwszy jeszcze w XX wieku, gdy fizyk Luis Alvarez i jego współpracownicy szukali ukrytych komór w piramidzie Chefrena w Gizie, nieco mniejszej od Wielkiej Piramidy. Detektory nie znalazły żadnych śladów pomieszczeń, ale udowodniły, że technika działa. Pomysł potrzebował jednak czasu, aby się przyjąć, ponieważ ówczesne detektory mionów były zazwyczaj nieporęczne i najlepiej sprawdzały się w dobrze kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. Do wykrywania mionów zespół Alvareza używał detektorów zwanych komorami iskrowymi. Komory iskrowe są wypełnione gazem i metalowymi płytkami pod wysokim napięciem, dzięki czemu przechodzące przez nie naładowane cząstki tworzą smugi iskier.
Obecnie, dzięki postępowi w fizyce cząstek elementarnych, komory iskrowe zostały w dużej mierze zastąpione nowszymi technikami. Jeden z typów nowych detektorów jest zbudowany z tworzywa sztucznego zawierającego substancję chemiczną zwaną scyntylatorem, która emituje światło, gdy przechodzi przez nią mion lub inna naładowana cząstka. Światło jest następnie przechwytywane i mierzone przez układy elektroniczne. Detektor jest na tyle mały, że mieści się w dwóch dużych walizkach. Niewielki rozmiar ma znaczenie, nie tylko gdy mamy do czynienia z wąskimi i ciasnymi szybami i korytarzami piramid.
Inny, łatwy w obsłudze typ detektora, zwany emulsją nuklearną, miał kluczowe znaczenie dla odkrycia w 2017 roku ukrytej pustki w Wielkiej Piramidzie. Emulsje rejestrują ślady cząsteczek na specjalnym rodzaju kliszy fotograficznej. Detektory pozostawia się na miejscu przez pewien czas, a następnie przywozi do laboratorium w celu przeanalizowania odciśniętych w nich śladów. Niewielkie gabaryty pozwalały umieścić wiele detektorów w doskonałych miejscach w jednym z pomieszczeń piramidy, Komnacie Królowej (3), oraz w małej niszy obok niej. Układ detektorowy uzupełniono o plastikowe detektory scyntylacyjne oraz detektory gazowe na zewnątrz piramidy.
obok Komory Królowej w Wielkiej Piramidzie
Od czasu odkrycia pustej przestrzeni naukowcy przeprowadzili dodatkowe pomiary, aby lepiej określić jej właściwości. Zespół umieścił detektory emulsji w dwudziestu miejscach w piramidzie, a także detektory gazu w kilku różnych miejscach. Korzystając z nowego zestawu instrumentów, badacze ustalili, że pusta przestrzeń ma ponad 40 metrów długości.
Inny zespół badaczy planuje przeprowadzenie szerzej zakrojonych badań Wielkiej Piramidy, polegających na umieszczeniu znacznie większych detektorów na zewnątrz piramidy. Detektory będą okresowo przemieszczane, aby mierzyć miony pod wieloma kątami - informuje zespół naukowców w artykule opublikowanym w czasopiśmie "Journal for Advanced Instrumentation in Science". W rezultacie, jak mówi współautor pracy, fizyk cząstek elementarnych Alan Bross z Fermilab, uzyskamy trójwymiarowy obraz tego, co znajduje się w środku.
Celnik sprawdzi bez wypakowywania
Naukowcy planują również badania mionograficzne innych obiektów i struktur archeologicznych na świecie, np. piramidy Majów w Chichén Itzá w Meksyku. Mionograficzne systemy detekcji rozstawione zostały także na znanych wulkanach. Uczeni badają za pomocą tej metody m.in. Wezuwiusza we Włoszech i Sakurajimę, jeden z najbardziej aktywnych wulkanów na świecie, znajdujący się w pobliżu Kagoshimy w Japonii. Jeden z kraterów wulkanu, krater Showa, wybuchał często aż do 2017 roku, kiedy to aktywność gwałtownie przeniosła się do innego krateru, Minamidake. Porównanie detekcji wykonanych przed i po tej zmianie ujawniło, że pod kraterem Showa utworzył się nowy, gęsty region. Wskazuje to na przyczynę ustania erupcji Showa. Był on zatkany gęstym korkiem zestalonej magmy. Wyniki te sugerują, że naukowcy mogą wykorzystać mionografię do przewidywania erupcji wulkanów z bezpiecznym wyprzedzeniem czasowym.
Pomysły i plany idą dalej, np. niektórzy sądzą, że miony mogłyby pomóc służbom celnym zajrzeć do wnętrza zamkniętych kontenerów, aby sprawdzić, czy w środku nie ma czegoś podejrzanego, nie zachodzi przemyt lub inne przestępstwo. Finansowany przez Unię Europejską projekt o nazwie Silent Border ma na celu opracowanie metody wykrywania niebezpiecznej kontrabandy w punktach kontroli celnej bez konieczności fizycznego otwierania i sprawdzania każdego kontenera, który przez nie przechodzi. Gdy miony przechodzą przez materiał, część z nich jest pochłaniana, a część rozprasza się, zmieniając kierunek (4).
w ciężarówce za pomocą mionografii
Pomiary rozproszenia mionów mogą być również przydatne do zaglądania do pojemników do składowania odpadów jądrowych w celu sprawdzenia, co znajduje się w środku, wykluczenia kradzieży niebezpiecznych substancji lub innych groźnych działań.
Wydaje się więc, że jesteśmy zatem świadkami narodzin nowej, nadzwyczaj obiecującej, techniki prześwietlania, która pozwoli wejrzeć w głąb obiektów dotychczas dla nas nieprzeniknionych. Co w miarę doskonalenia i zwiększania dokładności mionografii zobaczymy we wnętrzu piramid, tajemniczych gór i wulkanów, to się jeszcze okaże.
Mirosław Usidus
