Международная группа исследователей впервые получила изображение объекта с помощью искусственного пучка мюонов, созданного мощным лазером. Эксперимент провели на установке Extreme Light Infrastructure — Nuclear Physics (ELI-NP) в Румынии.
Как работают мюоны
Мюоны похожи на электроны, но примерно в 200 раз тяжелее. Благодаря этому они способны проходить через несколько метров плотных материалов, включая металл и горные породы. Анализ количества прошедших частиц и изменения их траекторий позволяет получать информацию о внутренней структуре объектов без необходимости их вскрывать. Такой метод называется мюографией.
Обычно в нём используются мюоны, которые естественным образом возникают при столкновении космических лучей с частицами атмосферы. С помощью мюографии, например, уже исследовали внутреннюю структуру египетских пирамид. Однако природных мюонов сравнительно мало: через каждый квадратный сантиметр поверхности проходит примерно одна частица в секунду. Поэтому для получения подробного изображения иногда требуются месяцы наблюдений.
Искусственный источник
Исследователи решили создать источник мюонов искусственно. Для этого сверхмощный лазер направили на газ и разогнали находящиеся в нём электроны до очень высоких энергий. Затем электроны столкнулись с твёрдой мишенью, в результате чего возникло высокоэнергетическое излучение, породившее пары мюонов.
Чтобы отделить мюоны от других частиц, получившийся пучок пропустили через фильтр из пластика и парафина. Детекторы на расстоянии до 42 метров от источника зарегистрировали тень от стопки свинцовых кирпичей сквозь бетонную стену толщиной два метра.
Результаты и перспективы
Полученное изображение совпало с реальным расположением и размерами кирпичей. Компьютерное моделирование показало, что около 90% зарегистрированных частиц составляли мюоны. Исследователи считают это первым изображением, сформированным преимущественно искусственными мюонами лазерного происхождения.
Пока разрешение таких снимков остаётся низким, поэтому технологии ещё предстоит улучшить лазеры и детекторы. Зато искусственный источник потенциально позволит проводить мюонное сканирование значительно быстрее и по требованию, не завися от естественного потока космических частиц.
В перспективе метод может найти применение при обследовании мостов, зданий и другой крупной инфраструктуры, а также при поиске ядерных материалов, скрытых за толстыми слоями защитных конструкций.
