Мюонная визуализация: как космические лучи помогают в изучении вулканов и объектов культурного наследия

Мюоны загадочны, потому что некоторые их свойства отклоняются от положений ведущей теории физики частиц, известной как стандартная модель. Тем не менее ученые смогли найти применение этим таинственным частицам — благодаря методу, похожему на обычную радиографию. Мюоны позволяют заглянуть глубоко внутрь крупных объектов, физический доступ к которым проблематичен или невозможен, например, древних зданий, вулканов или даже ядерных реакторов.

«Несмотря на то что мы их не видим, мюоны присутствуют на Земле практически повсюду: они постоянно проходят сквозь нас и окружающие нас объекты под любым углом со скоростью, почти равной скорости света, — говорит Иэн Суэйнсон, ядерный физик из МАГАТЭ. — Они совершенно безвредны для людей, но могут проникать через сотни метров горной породы или камня, являясь универсальным средством для изучения состава и параметров материалов, которые иначе были бы для нас невидимы».

«Мюонная визуализация в некотором смысле похожа на рентген или гамма-радиографию, которые используются в медицине для сканирования пациентов и в промышленности для оценки целостности и безопасности различных конструкций и компонентов, — говорит Андреа Джамманко, специализирующийся на частицах физик и один из авторов новой публикации. — Но если эти виды радиографии опираются на мощные искусственные источники излучения, создаваемые ускорителями частиц или радиоактивными источниками, то мюонная радиография использует космические лучи, которые приходят из космоса естественным путем».

Существует два основных типа мюонной визуализации: мюография и томография мюонного рассеивания.

Мюография предполагает размещение под объектом или сбоку от него детектора, улавливающего пропускаемые через него мюоны. Чем плотнее материал, тем больше мюонов будет им поглощено, при этом детектор зафиксирует частицы, которым удается пройти через материю объекта. На полученном изображении пустые пространства, через которые мюоны проходят легко, будут обозначены яркими пятнами, а материалы с более высокой плотностью будут темнее.

В то время как мюография основана на поглощении мюонов материалами, томография мюонного рассеивания фиксирует рассеивание мюонов. К примеру, используя два детектора, расположенные на двух противоположных сторонах автомобиля или грузового контейнера, эксперты могут отследить, как частицы отклоняются от материалов высокой плотности с большим количеством протонов, что позволяет «заглянуть» внутрь без необходимости физического осмотра.

С момента первых экспериментов в 1950-х годах мюонная визуализация применяется при анализе структуры разнообразных объектов по всему миру. В настоящее время мюография используется для изучения внутренней части вулкана Везувий вблизи Неаполя. Именно этот вулкан в 79 году н. э. уничтожил древнеримский город Помпеи и несколько других поселений. Для моделирования происходящих внутри Везувия процессов исследователи используют мюонные детекторы. Это имеет первостепенное значение для прогнозирования его потенциальных извержений и их масштабов, а также для разработки мер по снижению рисков для местного населения. С момента своего последнего извержения в 1944 году вулкан бездействует.

Аналогичным образом мюонная визуализация применялась для сканирования древней Городской стены города Сиань в Китае, а также циклона в Японии, Альпийских ледников и ядерного реактора во Франции, находящегося в стадии вывода из эксплуатации.

В следующем году МАГАТЭ планирует провести семинар-практикум «Мюонная томография: от основных принципов к практическому использованию и применениям». Его участники обсудят различные способы применения этого метода в практических целях, свойства используемых детекторов, алгоритм реконструкции мюонных потоков, а также анализ данных и восстановление изображений.

В новой публикации МАГАТЭ подробно изложены основные методы мюонной визуализации и различные типы детекторов. В ней также описывается широкий спектр применений: от изучения современных и древних сооружений, вулканов и промышленных объектов до повышения ядерной безопасности и осуществления гарантий. «Эта публикация представляет собой всеобъемлющий обзор мюонной визуализации, она будет полезна читателям из промышленной сферы, а также научным сотрудникам для более глубокого понимания этой развивающейся области», — отмечает Суэйнсон.

С публикацией можно ознакомиться здесь.