Мощный лазер помог увидеть, что находится за двухметровой бетонной стеной
Физики просветили двухметровую бетонную стену лазером и получили изображение находящихся за ней свинцовых брусков. В препринте на arXiv они показали, что это не привычная рентгенография, а «прирученные» «космические» частицы.
Захватывающий эксперимент в румынском центре Extreme Light Infrastructure Nuclear Physics (ELI-NP) открывает путь к принципиально новому методу неразрушающего мониторинга и визуализации, который сможет применяться везде, где пасует рентген — от исследований подземных археологических структур до борьбы с контрабандой ядерных материалов.
Степень проникновения фотонов зависит от их энергии — а значит и длины волны. И если в непрозрачную для света сумку таможенники могут заглянуть с помощью рентгена, то для визуализации содержимого свинцового ящика и он уже бесполезен. «Нужен способ заглядывать в такие ящики издалека, не открывая их, и мюоны для этого идеальны», — говорит физик Джанлука Сарри из Университета Квинс в Белфасте.
Мюоны — элементарные частицы, похожие на электроны, но примерно в 200 раз тяжелее. Высокие энергии и массы позволяют им проникать сквозь толстые и плотные объекты. Проходя через вещество, они поглощаются и отклоняются — по этому можно судить о плотности и структуре материала.
Наука уже пользуется природными мюонами, которые постоянно сыплются на Землю. Они образуются от столкновения космических лучей с атомами воздуха в атмосфере. В 2017 году ученые расставили мюонные детекторы вокруг пирамиды Хеопса и обнаружили ранее неизвестную камеру. Но чтобы набрать достаточно мюонов для четкой картины, потребовались месяцы.
Новизна эксперимента — в получении мюонов по требованию. Такие попытки уже предпринимались — но либо давали малопригодные для визуализации низкоэнергичные частицы, либо «винегрет» из мюонов с пионами и нейтронами.
В распоряжении ученых ELI-NP есть один из мощнейших лазеров в мире — в импульсе он выдает вспышку, более чем в 2000 раз превышающую суммарную мощность всех энергосетей планеты. Этот поражающий воображение луч направили на газ, что выбило электроны и разогнало их до высоких энергий. Электроны врезались в свинцовую мишень, испуская фотоны, которые при столкновении с другими ядрами свинца рождали мюоны.
Чтобы к ним не примешивались другие частицы, поставили фильтр из материалов, подобранных методами компьютерного моделирования — пластика и парафина. Пучок мюонов прошел через фильтр, двухметровую бетонную стену и был уловлен сцинтилляторами внутри припаркованного за ней фургона.
Сравнив измерения с компьютерными симуляциями, исследователи обнаружили, что около 90% частиц — мюоны. Этот пучок использовали, чтобы запечатлеть тень от груды свинцовых кирпичей, поставленной перед фургоном.
«Это первая визуализация, так что разрешение, конечно, не очень высокое. Но мы будем совершенствоваться», — обещает физик ELI-NP Доменико Дориа, руководивший проектом.
Успешные испытания приближают технологию к практическому применению.
«Физика уже продемонстрирована — технология есть», — подчеркивает физик Брендан Рейган уз Университета штата Колорадо.
Дальнейшие изыскания будут направлены на улучшение чувствительности детекторов и миниатюризацию мощных лазеров — чтобы в перспективе сделать такие устройства пригодными к практическому применению. Начато сотрудничество с немецкой компанией, коммерциализирующей искусственные источники мюонов для таких задач, как оценка ракетных двигателей и медицинская визуализация.
