Учёные создали мюонный «рентген», способный видеть сквозь свинец и бетон

Представьте рентгеновский аппарат, способный заглянуть не внутрь человеческого тела, а сквозь метры бетона, камня или металла. Физики давно умеют делать нечто подобное с помощью мюонов — элементарных частиц, постоянно падающих на Землю из атмосферы. Главная проблема заключалась в том, что природа поставляет их слишком медленно и совершенно не по расписанию. Теперь исследователи впервые получили изображение плотного объекта с помощью искусственного пучка, в котором преобладали мюоны, созданные при помощи мощного лазера.

Мюон можно считать тяжёлым родственником электрона. У этих частиц одинаковый электрический заряд, но масса мюона примерно в 207 раз больше. Именно это различие делает его исключительно интересным инструментом для исследования плотной материи. Проходя через вещество, высокоэнергетические мюоны способны проникать значительно глубже многих других заряженных частиц.

Природа производит их постоянно. Высокоэнергетические космические лучи сталкиваются с атомами верхней атмосферы, запускают каскады вторичных частиц, и среди продуктов появляются мюоны. Они летят к поверхности Земли и способны проходить через значительные толщи вещества. Каждую секунду через наше тело также пролетают многочисленные атмосферные мюоны, практически никак себя не проявляя.

Этим свойством уже пользуется мюография. Детекторы располагают вокруг или под исследуемым объектом и регистрируют количество прошедших частиц и изменение их траекторий. Плотный материал поглощает или отклоняет мюоны иначе, чем пустота. Если накопить достаточно событий, можно восстановить внутреннюю структуру объекта примерно так же, как в медицинской томографии по множеству измерений восстанавливается изображение тканей.

Метод способен работать там, где обычный рентген становится практически бесполезным. Мюоны применяют для исследования вулканов, массивных инженерных сооружений и археологических объектов. Именно такие частицы помогли обнаруживать ранее неизвестные пустоты внутри Великой пирамиды в Гизе.

Но у природного источника есть существенный недостаток: поток мюонов сравнительно слаб. Исследователь не может сделать атмосферу ярче, направить частицы в нужную сторону или включить их в определённый момент. Чтобы накопить статистику для изображения крупного объекта, иногда приходится ждать недели или месяцы.

Поэтому физиков давно привлекает идея искусственного источника. Управляемый пучок можно было бы включать по требованию, направлять на интересующую область и потенциально получать значительно больше частиц за короткое время. Это превратило бы мюографию из преимущественно пассивного метода наблюдения в активный способ сканирования.

Однако создать подходящий мюонный пучок непросто. Мюоны должны обладать достаточной энергией, чтобы пройти через исследуемое вещество, а процесс их рождения одновременно создаёт множество других частиц. Если детектор регистрирует смесь электронов, фотонов, нейтронов и мюонов, становится трудно понять, какая именно составляющая сформировала изображение.

Исследователи использовали для решения этой задачи сверхмощную лазерную установку ELI-NP в Румынии. Сначала интенсивный лазерный импульс направлялся в газ и ускорял электроны до чрезвычайно высоких энергий. Затем эти электроны попадали в твёрдую мишень, где возникало высокоэнергетическое излучение, способное в последующих взаимодействиях создавать пары мюонов.

Получающийся поток был далёк от чистого мюонного пучка. Поэтому следующая часть установки фактически выполняла роль огромного фильтра. Частицы проходили через толстый слой пластика и парафина, а затем через бетонную стену толщиной около двух метров. Большая часть нежелательных компонентов потока задерживалась, тогда как наиболее проникающие частицы продолжали движение.

После всей этой фильтрации на пути пучка находилась экспериментальная цель — груда свинцовых кирпичей. Свинец выбран не случайно: его высокая плотность делает такой объект хорошей проверкой способности метода различать сильно экранирующую материю.

Детекторы разместили на расстоянии до 42 метров от источника. Они регистрировали частицы, сумевшие пройти через всю систему, включая исследуемый объект. Там, где находился свинец, поток ослабевал. Постепенно из статистики возникла своеобразная тень.

Именно эта тень стала главным результатом эксперимента. Её размеры и положение соответствовали реальной конфигурации свинцовых кирпичей. Исследователи впервые получили изображение объекта с помощью искусственно созданного пучка, в зарегистрированной составляющей которого доминировали лазерно-сгенерированные мюоны.

Чтобы убедиться, что изображение действительно связано преимущественно с мюонами, команда сравнила измерения с подробным компьютерным моделированием движения частиц через установку. Расчёты показали, что около 90% зарегистрированных частиц составляли мюоны с энергетическими характеристиками, соответствующими ожидаемому лазерному источнику.

Пока получившаяся картинка далека от привычной компьютерной томографии. Разрешение невелико, а сама установка сложна и требует мощного лазера, массивной защиты и чувствительных детекторов. Эксперимент следует воспринимать прежде всего как доказательство принципиальной возможности метода.

Но потенциальное преимущество огромно. Космическая мюография вынуждена ждать частиц, случайно прилетающих из атмосферы. Искусственный источник теоретически позволяет определять интенсивность, направление и время воздействия. Чем больше полезных мюонов удастся получить и направить через объект, тем быстрее можно накопить данные для изображения.

Одно из возможных применений — диагностика массивной инфраструктуры. Мостовые опоры, бетонные конструкции, защитные сооружения и другие крупные объекты трудно исследовать традиционными методами по всей толщине. Мюонное сканирование потенциально способно обнаруживать скрытые пустоты, неоднородности и крупные внутренние дефекты без разрушения конструкции.

Другая потенциальная область — контроль сильно экранированных материалов. Высокая проникающая способность мюонов позволяет исследовать объекты, скрытые за толстым слоем металла или другого плотного вещества. В перспективе это может использоваться для специальных инспекционных задач, где обычные методы визуализации недостаточно эффективны.

Однако для превращения эксперимента в практический прибор необходимо существенно повысить интенсивность и качество пучка, улучшить пространственное разрешение детекторов и уменьшить размеры всей системы. Особенно важно научиться получать больше мюонов при меньших энергетических и технических затратах.

Здесь лазерные технологии развиваются чрезвычайно быстро. Современные сверхинтенсивные лазеры позволяют создавать электрические поля, недостижимые в обычных ускорительных структурах, и ускорять частицы на значительно меньших расстояниях. Если эффективность таких систем продолжит расти, искусственные источники мюонов могут стать компактнее и производительнее.

Первое изображение свинцовых кирпичей поэтому выглядит скромно лишь на первый взгляд. Важен не сам объект, а происхождение частиц, которыми его увидели. Человечество давно научилось использовать мюоны, случайно падающие с неба. Теперь физики впервые показали, что можно создать собственный поток этих чрезвычайно проникающих частиц и заставить его сформировать изображение. Если технологию удастся масштабировать, мюография однажды сможет перейти от многомесячного ожидания космических частиц к управляемому сканированию по запросу.