Що таке мюони і для чого вони потрібні, журнал популярна механіка

Луїс Альварес вельми цікавився єгипетськими пірамідами, особливо двома гігантами, зведеними в Гізі за часів правління другого фараона Четвертої династії Стародавнього царства Хуфу (Хеопса) та його сина Хафра (Хефрена). Велика піраміда Хуфу має три похоронні камери, розташовані один над одним, а піраміда Хафра - всього одну, причому на рівні землі. Археологи давно припускали, що в цій піраміді є й інші камери, приховані за товщею каменю.

сива давнина

У 1965 році Альварес перевірив цю гіпотезу за допомогою інструментарію ядерної фізики. Для просвічування піраміди він вирішив використовувати мюони, які в достатку виникають в ході бомбардування земної атмосфери первинними космічними променями.

У похоронній камері піраміди Хафра фізики і археологи з США і Єгипту встановили високочутливі іскрові камери, за допомогою яких традиційно дослідження космічних променів. Ці детектори призначені для реєстрації треків заряджених частинок в газовому середовищі. Розрахунок був на те, що якщо піраміда має замуровані похоронні камери, розташовані вище детекторів, то їх вдасться виявити, так як повітря всередині камер пропустить більше мюонів, ніж будівельні блоки з базальту, вапняку і граніту.

Перед самим початком вимірювань вибухнула Шестиденна війна 1967 року, що і зондування піраміди довелося відкласти. Пізніше вчені просвітили близько п'ятої частини її обсягу і не виявили ніяких пустот. Це була перша спроба детектування прихованих об'єктів за допомогою космічних променів.

Заняття для мюонів

Ось тоді-то в Лос-Аламосі, де колись працював Альварес, згадали про його єгипетському експерименті і вирішили використовувати космічні мюони для виявлення ядерної контрабанди через національні кордони. Кут розсіювання цих частинок залежить від атомів речовини, найсильніше вони відхиляються важкими елементами з великим зарядом ядра - ураном або плутонієм, без яких не можна виготовити ніяке ядерну зброю, або свинцем, який використовується для екранування матеріалів, що діляться.

В кооперації з Лос-Аламосі вона приступила до розробки великогабаритних установок для мюонною томографії комерційних вантажів. Для реєстрації мюонів було вирішено використовувати дрейфові камери, газорозрядні детектори частинок високих енергій, що увійшли до вжитку вже після експерименту Альвареса.

На сторожі безпеки

Хоча мюони і нестабільні, вони мають релятивістськими швидкостями, і тому (завдяки ефекту уповільнення часу) їм вистачає терміну життя, щоб долетіти до Землі. Більш того, мюони не тільки з легкістю пронизують нижні шари атмосфери, а й проходять крізь многометровую товщу скельних порід. Дуже важливо, що щільність потоку цих частинок дуже стабільна - близько 10 000 на 1 м² в хвилину.

Кути розсіювання мюонів на легких ядрах малі, і це дає можливість відрізняти їх від ядер важких елементів.

Мюони, що утворюються в атмосфері під дією космічних променів, проходять через верхній шар детекторів - дрейфові камери, наповнені інертним газом. Пролітають частинки іонізують газ, що дозволяє відстежити їх траєкторію. Потім мюони пролітають крізь сканований об'єкт, після чого потрапляють на нижній шар детекторів, де їх «вихідна» траєкторія знову фіксується і порівнюється з «вхідний». Розсіювання мюонів на великі кути свідчить про наявність речовин, що містять атоми з великим зарядом ядра, - урану або плутонію.