Как можно использовать трудноуловимые элементарные частицы на пользу археологам, таможенникам и специалистам по безопасности.
Что такое мюоны и для чего они нужны
Луис Альварес, лауреат Нобелевской премии 1968 года, вошел в историю науки как первооткрыватель множества новых частиц, которые были получены на протонном ускорителе Беватрон, запущенном в Беркли в 1954 году. Однако его интересы не ограничивались физикой высоких энергий. В 1980 году Альварес и трое его соавторов выдвинули гипотезу, которая объясняла гибель динозавров космическими факторами. Популярная и поныне модель, приписывающая массовое вымирание рептилий столкновению Земли с астероидом, появилась позднее, когда Альвареса уже не было в живых.

Луис Альварес весьма интересовался египетскими пирамидами, особенно двумя гигантами, возведенными в Гизе во времена правления второго фараона Четвертой династии Древнего царства Хуфу (Хеопса) и его сына Хафры (Хефрена). Великая пирамида Хуфу имеет три погребальные камеры, расположенные друг над другом, а пирамида Хафры — всего одну, причем на уровне земли. Археологи давно предполагали, что в этой пирамиде есть и другие камеры, скрытые за толщей камня.

Седая древность

В 1965 году Альварес проверил эту гипотезу с помощью инструментария ядерной физики. Для просвечивания пирамиды он решил использовать мюоны, которые в изобилии возникают в ходе бомбардировки земной атмосферы первичными космическими лучами.

В погребальной камере пирамиды Хафры физики и археологи из США и Египта установили высокочувствительные искровые камеры, обычно используемые для исследования космических лучей. Эти детекторы предназначены для регистрации треков заряженных частиц в газовой среде. Расчет был на то, что если пирамида имеет замурованные погребальные камеры, расположенные выше детекторов, то их удастся обнаружить, так как воздух внутри камер пропустит больше мюонов, нежели строительные блоки из базальта, известняка и гранита.

Перед самым началом измерений разразилась Шестидневная война 1967 года, и зондирование пирамиды пришлось отложить. Позже ученые просветили около пятой части ее объема и не обнаружили никаких пустот. Это была первая попытка детектирования скрытых объектов с помощью космических лучей.

Занятие для мюонов

После трагедии 11 сентября 2001 года в США задумались, как предотвратить угрозу ядерного терроризма.

Вот тогда-то в Лос-Аламосе, где когда-то работал Альварес, вспомнили о его египетском эксперименте и решили использовать космические мюоны для выявления ядерной контрабанды через национальные границы. Угол рассеяния этих частиц зависит от атомов вещества, сильнее всего они отклоняются тяжелыми элементами с большим зарядом ядра — ураном или плутонием, без которых нельзя изготовить никакое ядерное оружие, или свинцом, который используется для экранирования делящихся материалов.

В 2003 году сотрудник Лос-Аламосской национальной лаборатории Кристофер Моррис возглавил разработку метода, выявляющего подозрительные материалы такого рода с помощью космических мюонов. Спустя три года его группа сконструировала прототип мюонного детектора, который в ходе тестирования отреагировал на дециметровый свинцовый кубик, спрятанный в блоке цилиндров автомобильного мотора. Новую технологию назвали мюонной томографией.

В 2005 году к этому проекту подключилась калифорнийская фирма Decision Sciences Corporation, и до этого задействованная в оборонных проектах.

В кооперации с Лос-Аламосом она приступила к разработке крупногабаритных установок для мюонной томографии коммерческих грузов. Для регистрации мюонов было решено использовать дрейфовые камеры, газоразрядные детекторы частиц высоких энергий, вошедшие в употребление уже после эксперимента Альвареса.

На страже безопасности

В августе 2012 года Decision Sciences Corporation провела двухдневное тестирование опытного образца своего детектора на контейнерном терминале Фрипорта на Багамских островах.

В ноябре ее президент Стэнтон Слоан объявил, что детекторный комплекс работает безупречно и обнаруживает все подлежащие выявлению объекты со стопроцентной надежностью. После первого раунда испытаний комплекс остался во Фрипорте для дальнейшего тестирования и в конце октября без потерь выдержал натиск урагана «Сэнди».

Это не единственный американский проект мюонной томографии. Группа Майкла Стейба из Флоридского технологического института проводит эксперименты с газовым электронным умножителем. Это тоже газоразрядный детектор, только более дешевый и компактный, чем дрейфовая камера. По мнению Стейба, его система сможет выявлять гораздо более мелкие объекты, нежели установка калифорнийских конкурентов.

В 2015 году флоридские разработчики собираются продемонстрировать установку, способную просвечивать объекты с габаритами порядка метра, причем при массовом производстве она будет стоить не более $300 000. По их мнению, рабочий объем этой системы можно будет без особого труда и больших затрат увеличить настолько, что она сможет проверять грузовики и морские грузовые контейнеры.

Хотя мюоны и нестабильны, они обладают релятивистскими скоростями, и потому (благодаря эффекту замедления времени) им хватает срока жизни, чтобы долететь до Земли. Более того, мюоны не только с легкостью пронзают нижние слои атмосферы, но и проходят сквозь многометровую толщу скальных пород. Очень важно, что плотность потока этих частиц весьма стабильна — около 10 000 на 1 м² в минуту.

Углы рассеяния мюонов на легких ядрах малы, и это дает возможность отличать их от ядер тяжелых элементов.

Мюоны, образующиеся в атмосфере под действием космических лучей, проходят через верхний слой детекторов — дрейфовые камеры, наполненные инертным газом. Пролетающие частицы ионизируют газ, что позволяет отследить их траекторию. Затем мюоны пролетают сквозь сканируемый объект, после чего попадают на нижний слой детекторов, где их «выходная» траектория вновь фиксируется и сравнивается с «входной». Рассеяние мюонов на большие углы свидетельствует о наличии веществ, содержащих атомы с большим зарядом ядра, — урана или плутония.

Статья «Мюоны дают добро» опубликована в журнале «Популярная механика» (№3, Март 2013).