Упавшие с неба

Мюоны — это нестабильные, но относительно безобидные элементарные частицы. Весят они в 200 раз больше электронов, к сильному ядерному взаимодействию они равнодушны, поэтому могут пролететь сквозь многометровые стены, теряя очень немного энергии на своем пути. Никто не знает, почему природе потребовалось создавать еще одну, более тяжелую копию электрона (а точнее — две, потому что есть еще и совсем тяжелый тау-лептон), но мюоны существуют, это факт, и с ним надо как-то жить.

Мюоны вовсе не такие уж редкие гости. На нас с неба постоянно сыплется мюонный поток. Это мюоны, рожденные высоко в атмосфере при столкновении частиц космических лучей с ядрами атомов и последующем распаде мезонов. На уровне моря мюонный поток составляет примерно одну штуку в минуту на квадратный сантиметр. Или, в других единицах, через ваше тело мюоны пролетают десятками в секунду, и каждый из них оставляет вам некоторую часть своей энергии. Нельзя сказать, чтоб это сильно нам мешало. Но вот когда речь идет о физических экспериментах, то просто так от мюонов не отмахнешься — они с неба сыплются и сыплются с разных сторон, под разными углами, с разными энергиями.

Но, может, от них и не надо отмахиваться?

Еще на заре физики элементарных частиц, когда новые частицы ловили не на ускорителях, а в космических лучах, ученые сообразили, что этот постоянный поток мюонов — это бесплатный просвечивающий инструмент, который создала для нас сама природа. Это как бы мюонный аналог рентгеновского аппарата, только куда более безопасный и прозорливый. Если мы хотим рассмотреть на просвет — на мюонный просвет — твердый предмет, здание, гору, то нам достаточно поставить рядом мюонный детектор и получить снимок тела «в мюонных лучах». Чем более толстый слой вещества, тем больше мюонов он остановит — вот вам и контрастное изображение внутреннего устройства предмета. Ну, а если поставить несколько таких детекторов и ловить мюоны, прилетевшие с разных сторон, то по ним можно будет восстановить трехмерную картину строения предмета, то есть выполнить настоящую мюонную томографию.

Казалось бы, ну еще одна методика просвечивания тел, что в ней такого особенного? Чем она лучше тех же сканеров в аэропортах или медицинских рентгеновских трубок?

Преимуществ несколько. Во-первых, это огромная проникающая способность мюонов: при подходящей энергии они могут добивать на сотни метров вглубь земли.
Во-вторых, в отличие от фотонов, электронов и других частиц, мюоны не производят внутри вещества никаких ливней вторичных частиц — они просто летят себе и потихоньку теряют энергию. Идеальная «рабочая лошадка» экспериментатора: летит, куда сказали, почти не теряет по пути запасенную в себе энергию и, в общем, никого не сбивает с толку, не мешает работать. Недаром мюоны так любят и экспериментаторы на Большом адронном коллайдере.

В-третьих, источник мюонов — бесплатный. Мюоны везде, их много и днем, и ночью, этот источник никто не отключит и не заслонит — знай себе ставь детекторы и регистрируй потоки. Красота!

В-четвертых (и это немаловажная деталь для практических применений), в отличие от других томографических методов исследования, мюонная томография — это пассивная методика. В ней не осуществляется никакого воздействия на изучаемый объект, детекторы лишь измеряют природный мюонный фон. Поэтому эта методика не требует ни специального лицензирования, ни повышенного контроля безопасности, ни прочих мер предосторожности. Систему детекторов можно установить где угодно, хоть внутри автомобиля, и кататься по городу, обследовать произвольные объекты, например, здания.

Есть, правда, одно важное но: моментального снимка так не получишь. Все-таки природный мюонный фон невелик, поэтому для того, чтобы получить более-менее контрастное изображение здания со всей его внутренней структурой, потребуется экспозиция в несколько дней или недель. Зато она очень полезна в тех ситуациях, когда физически забраться внутрь конструкции невозможно или небезопасно, и тогда мюонная томография может оказаться единственным способом дистанционного разглядывания сложных конструкций, спрятанных от всех иных видов «зрения».

Тьма египетская

Первым знаменитым примером практического использования мюонной томографии стала попытка нобелевского лауреата и одного из виднейших физиков-экспериментаторов XX века Луиса Альвареса с коллегами обнаружить скрытые помещения в египетских пирамидах. Ровно полвека назад, в 1965 году, Альварес разослал специалистам по космических лучам и археологам письмо с предложением такого измерения. Хоть к тому времени был уже накоплен солидный с опыт работы с космическими мюонами, предложенный эксперимент был все же технически сложным: требовалось не просто регистрировать мюоны, а еще и измерять их направление прихода с высокой точностью и, к тому же, на большой площади. Однако благодаря созданию незадолго до этого искровых камер большого размера с цифровым снятием данных такие измерения стали возможными.

 Отзывы специалистов на запрос Альвареса были положительные, а в 1966 году было получено добро и от руководства Объединенной Арабской Республики, — так тогда назвалось государственное образование на территории Египта. Весной 1967 года суперсовременные на тот момент мюонные детекторы были установлены в погребальной камере пирамиды Хефрена, второй по величине из египетских пирамид. Набор данных должен был начаться тем же летом. Однако в это время очередной виток напряженности на Ближнем Востоке перерос в Шестидневную войну и Египту стало не до исследований. Эксперимент был запущен только в начале следующего года.

Надо сказать, что поначалу физикам пришлось потрудиться, чтобы доказать сотрудникам египетского Департамента Древностей, что этот метод вообще способен обнаружить скрытую пустоту где-то в толще пирамиды. К счастью, сама геометрия пирамиды позволяла поставить контрольный эксперимент. Мюоны, которые попадали в детектор сквозь ребро пирамиды, должны были пройти путь в веществе на несколько метров длиннее, чем мюоны, попавшие через боковую грань. По расчетам, это должно было привести к уменьшению потока мюонов с ребра на несколько процентов по сравнению с боковыми мюонами. Данные, накопленные в первые месяцы 1968 года и обработанные суперкомпьютером CDC-6600, действительно показали сильную зависимость потока от азимутального угла, — даже более сильную, чем ожидали увидеть сами исследователи. Они позволили локализовать положение детектора относительно склонов пирамиды с точностью лучше 1 метра.

Так мюонные детекторы научились уверенно видеть сквозь камень и ориентироваться в пространстве.

Дальше был проведен уже настоящий сеанс наблюдений в широком диапазоне зенитных и азимутальных углов. Весь телесный угол, доступный наблюдениям, был поделен на участки 3 на 3 градуса, и в каждом участке с течением времени накапливалась статистика. Иногда, правда, искровая камера сбоила и переставала считать мюоны. К счастью, быстро выяснилось, что причина этого в испорченной атмосфере внутри газовых ячеек. Чувствительность аппаратуры удалось восстановить после продувания свежим неоном. На всякий случай, чтобы не вносить инструментальных погрешностей, физики выкидывали данные за такие дни.

Набор данных продлился несколько месяцев и собрал порядка миллиона мюонных событий. На рисунке выше показаны «сырые данные», суммарные числа событий в каждом участке телесного угла за все время наблюдений. Сами по себе они еще не говорят всей правды. Для этого физикам пришлось сосчитать теоретически ожидаемые числа событий, вычесть из одного другое и оценить статистическую значимость отклонений (выраженную в количестве сигм) на каждом угловом участке. Этот анализ был проделан и, в результате, таблица заполнилась числами типа 0, −1, 3, но не более того. Ни в каком направлении, ни в одной ячейке не наблюдалось отклонения более 3 стандартных отклонений. Таким образом, предположение, что где-то в верхней части пирамиды есть тайная камера размером в несколько метров, было опровергнуто прямым наблюдением.

На самом деле, в этой истории была некая загогулина сюжетной линии. В первые два месяца исследователи видели нечто похожее на пустую камеру, якобы расположенную в 30 метрах прямо над камерой наблюдения. Однако по мере уточнения геометрии пирамиды и пересчета теоретических предсказаний аномалия рассосалась. В окончательных данных, опубликованных в журнале Science в 1970 году, никаких намеков на пустоты не осталось.

До и после

В последующие десятилетия ту же методику использовали и для других задач. Однако по-настоящему она расцвела уже в этом веке. В начале 2000-х годов в Лос-Аламосской Национальной лаборатории в США была разработана новая, гораздо более прозорливая разновидность мюонной томографии — мюонная рассеивающая радиография. Для нее главный показатель — это не то, сколько мюонов поглощается, а то, как они рассеиваются. От этого, во-первых, улучшается контраст изображений: если толща исследуемого объекта не слишком велика, то поглощения почти не будет, а вот рассеиваться мюоны уже вполне могут. Во-вторых, чем тяжелее атом вещества, тем сильнее ядро отклоняет пролетающие поблизости мюоны. А значит, по величине углового разброса при рассеянии можно определить не только наличие пустот или чужеродных вкраплений, но и примерно узнать, что это там за материал.

Может показаться, что, по сравнению с обычной томографией, в рассеивающей мюонной радиографии сильно усложняется задача восстановления трехмерного распределения вещества по мюонным «снимкам». Ведь одно дело смотреть предмет «на просвет» в мюонных лучах, а другое — учесть, что за счет многократного рассеяния каждый мюон может слегка отклониться. Однако проблему помогает снять простой метод, позаимствованный из физики элементарных частиц.

Поставим мюонный детектор до и после исследуемого предмета, как на рисунке. Каждый из них, во-первых, засекает момент прохождения мюона, а во-вторых, измеряет траекторию. Поэтому, чтобы устранить ненужный фон, мы можем обращать внимание только на близкие по времени пары мюонных отсчетов и не любые, а такие, в которых мюон отклонился на заметный угол. Просто проходящие насквозь мюоны нам не потребуются.

Благодаря мюонной рассеивающей радиографии удается за считанные часы получать контрастные изображения внутренностей зданий. Это особенно полезно в тех ситуациях, когда по каким-то причинам физические проникновение внутрь конструкции невозможно или опасно. Более того, технология сейчас позволяет видеть даже небольшие детали. Так, в недавней статье исследователи из той же Лос-Аламосской Национальной лаборатории не только разглядели с помощью мюонов вмурованный в бетонную стену вентиль, но и даже смогли отличить состояние «открыт» и «закрыт».

Что касается задачи определения типа материала, то изотопной точности достичь, конечно, нереально. Но заметить, скажем, урановый шар, спрятанный внутри цельнометаллического стального блока, этому методу вполне по силам. Собственно, одним из первых применений этой технологии как раз стала эффективная проверка международных грузов на предмет контрабанды ядерных материалов — мера безопасности, ставшая особенно актуальной после терактов 2001 года. Важную роль в развитии и демонстрации этой технологии сыграла также и Италия. Нынешнее состояние этой технологиии описано в недавней обзорной статье.

Фукусима

Звездный час мюонной радиографии настал буквально в этом году: она позволила заглянуть в сердце первого энергоблока японской АЭС Фукусима, полуразрушенного в 2011 году после землетрясения и последующего цунами. После кризисных первых недель ситуацию в энергоблоке удалось стабилизировать и можно было приступать к разработке плана по извлечению расплавившегося ядерного топлива. А для этого надо вначале увидеть, что, собственно, произошло в горячей зоне реактора, сколько топлива куда пролилось, что где расплавилось.

Сразу после осознания ситуации специалисты предложили использовать мюонную радиографию для ответа на этот вопрос. В 2012 году в журнале Physical Review Letters вышла статья, в которой было тщательно проанализировано, на какую точность можно рассчитывать и какое для этого потребуется время экспозиции. На рисунке внизу показано моделирование того, что должен увидеть детектор размером 50 кв. метров за разное время накопления статистики. Как видно, уже нескольких недель должно хватить, чтобы заметить вытекание топлива. Также бросается в глаза то, насколько контрастнее картинка, полученная методом рассеяния мюонов, по сравнению с традиционной мюонной томографией на просвет.

Работа закипела и в 2013 году, в качестве последнего этапа валидации технологии, миниатюрный мюонный трековый детектор площадью в полтора квадратных метра был транспортирован из Лос-Аламоса в Японию. Детектор установили рядом с экспериментальным реактором в Кавасаки и в течение месяца «фотографировали» его в «мюонных лучах». Центральная часть реактора начинала проступать уже через несколько часов после начала работы, пустоты в центре — через сутки. После четырехнедельной экспозиции картинка стала уже настолько четкой, что ее можно было разбить на 10-сантиметровые слои и просматривать устройство реактора слой за слоем. Отчет об этом исследовании

 в январе 2014 года.

В феврале 2015 года была завершена установка семиметровых мюонных детекторов рядом с реакторами Фукусимы. В марте, после первого 26-дневного сеанса набора данных, были получены первые, размытые пока изображения. Предварительные результаты подтверждают, что в горячей зоне реактора отсутствует тот объем топлива, который там должен быть, и, следовательно, расплавление активной зоны действительно произошло и привело к выливанию ядерного топлива на дно гермооболочки. Набор данных будет продолжаться в течение всего года для получения более контрастных изображений внутренностей поврежденного энергоблока. Специалисты рассчитывают достичь пространственного разрешения 30 см.

Заглянуть в вулкан

А теперь, по-прежнему оставаясь в Японии, изменим масштабы. В 2008 году группа из Университета Токио, возглавляемая Хироюки Танакой, выступила с предложением применить мюонную радиографию к действующим вулканам. Здесь уже размеры исследуемых объектов, а также расстояния от них до детекторов, достигают сотен метров и больше. Но поскольку природные мюоны летят со всех сторон под всеми углами, то общий поток мюонов остается примерно того же порядка.

Впрочем, наблюдать за внутренностями вулкана все равно сложнее, чем за небольшой рукотворной конструкцией, как минимум, по трем причинам. Во-первых, мы не можем поместить детектор непосредственно под изучаемый объект. Детектор должен быть установлен на склоне вулкана, а это значит, что попадут в него только почти горизонтальные мюоны, которые на своем пути прошли вулкан насквозь. Ясно, что чем более пологий склон, тем меньше поле зрения детектора и тем дальше он отстоит от кратера вулкана. Тем не менее, там, где мюонная радиография применима, она дает более детальную картину распределения пород разной плотности внутри вулкана, чем альтернативные методы (например, сейсмическая томография или гравиметрия, основанная на слабом отклонении силы тяжести от вертикали вблизи массивных объектов).

Во-вторых, пройти насквозь несколько сот метров пород могут только высокоэнергетические мюоны, поток которых намного меньше, что, конечно, ухудшает контраст изображений. Ну а в-третьих, не получится воспользоваться роскошью лабораторного эксперимента по рассеянию мюонов — ведь покрыть мюонными детекторами всю дальнюю сторону вулкана невозможно. Поэтому здесь приходится опираться на традиционную трансмиссионную мюонную томографию.

В настоящее время существует несколько групп, которые разрабатывают методику мюонного мониторинга за вулканами и регулярно опробывают свои наработки в полевых условиях. Кроме упомянутой уже пионерской группы Танаки, есть международный проект MU-RAY, который недавно выполнил мюонное сканирование Везувия, французская коллаборация TOMUVOL, которая изучает устройство вулкана Пюи-де-Дом, и французский же проект Diaphane, оттачивающий технологию на Малых Антильских островах и на склонах вулкана Этна. Подробную информацию об этом направлении исследований можно получить из материалов недавней конференции Muon and Nuetrino Radiography 2012.

У мюонной радиографии есть еще одно достоинство — она позволяет следить за динамическими изменениями. Пожалуй, самым впечатляющим применением этой методики стало недавнее наблюдение той же группы Танаки за внутренностями вулкана прямо в процессе извержения. В своей статье, опубликованной в 2014 году в журнале Nature Communications, коллектив представил подробности мюонного наблюдения за извержением островного вулкана Сацума-Иводзима с 14 июня по 10 июля 2013 года. Японское Метеорологические Агенство заблаговременно выдало сообщение о скором извержении, поэтому команда из нескольких человек успела прибыть на место (а это достаточно удаленный остров в Тихом океане) и смонтировать полутораметровый детектор. Он был установлен у подножия вулкана: и на километровом удалении от кальдеры вулкана, и на несколько сот метров ниже нее, что позволило ловить мюоны, летящие под углом 10-30 градусов к горизонту и прошедшие сквозь вулкан.

Благодаря высокому качеству мюонного детектора и низким инструментальным шумам, каждые три дня накапливалась достаточная статистика мюонов для того, чтобы восстановить, пусть и в общем приблизительном виде, картину распределений плотности внутри кратера. На последовательных снимках видно, как внутри магматической камеры перемещаются массы разной плотности, в том числе и пузыри.

Эти наблюдения за временной эволюцией извергающегося вулкана выглядят очень обнадеживающими. Они позволяют надеяться на развитие технологий еще более быстрого наблюдение за внутренностями активного вулкана, в котором уровень магмы может быстро повышаться и понижаться.

Французская команда, работающая в рамках проекта Diaphane, решила подналечь именно на эту сторону технологии. В качестве контрольного эксперимента, она установила под водонапорной башней небольшой, но чувствительный мюонный детектор. В течение дня менялся уровень воды в башне, это приводило к изменению толщины вертикально идущих мюонов и, как следствие, меняло мюонный поток. На поток влияли и другие факторы, в частности, температура атмосферы (да-да, она тоже влияет на поток мюонов); все они тоже тщательно отслеживались. Эксперимент проработал месяц и наглядно продемонстрировал, что, несмотря на посторонние долговременные колебания, даже небольшой детектор может уверенно регистрировать внутрисуточные колебания уровня воды всего на десятки сантиметров. Коллектив теперь надеется применить эту методику и для еще более быстрого отслеживания того, что происходит внутри активных вулканов.

Как увидеть Марс

Успешное применение метода мюонной радиографии для нужд вулканологии, а также перспективы ее использования в более широких геофизических исследованиях, навели исследователей на следующую мысль: а что, если попробовать аналогичным способом изучать и другие планеты? Польза от этого была бы огромной. Например, исследователи подозревают, что на Марсе есть запасы льда и воды прямо в верхних слоях грунта. А это значит, что любые методики, которые позволят как-то прощупать приповерхностную геологию марсианских пород, могут привести к новым громким открытиям.

В статье 2013 года, с прицелом именно на это, подробно обсуждается перспективы мюонной томографии для изучения марсианской геологии. Конечно, тут есть своя тонкость. Атмосфера на Марсе слабенькая, давление там на уровне поверхности составляет процент от земного. Поэтому, хоть поток космических лучей там примерно тот же, многие из этих космических частиц просто втыкаются в грунт и не производят атмосферных мюонов. Зато с горизонтальными мюонами ситуация намного лучше, чем на Земле, ведь с точки зрения горизонтальных космических лучей толщина атмосферы многократко возрастает. Поэтому можно будет издалека, за несколько километров, наблюдать за горами через их влияние на горизонтальный мюонный поток.

Сейчас разрабатывается предложение по установке на будущих марсианских роверах небольшого мюонного детектора как раз для таких измерений. Поскольку мюонная радиография — это пассивное наблюдение, мюонный детектор будет потреблять совсем небольшую мощность, несколько ватт. Он может работать в любых условиях (день-ночь, зима-лето); его можно установлить как на ровере, так и на неподвижных спускаемых модулях, и он не будет никоим образом мешать основной работе миссии. Конечно, мюонная радиография не поможет заглянуть прямо вниз, вглубь грунта, и не сможет полностью заменить такие методы наблюдения за глубинным устройством планет, как магнитометрия, гравиметрия, проникающее радарное зондирование. Однако для возвышающихся над поверхностью элементов топографии она подходит отлично.

Кладовщики планеты

Ну и, наконец, совсем недавно было предложено еще одно, несколько неожиданное применение для мюонной радиографии, касающееся на этот раз климата и окружающей среды. Как широко известно, в последние десятилетия климат изменяется, причем изменяется он такими темпами, которые в природе не наблюдались уже миллионы лет. Считается, что значительную, если не доминирующую роль в этих изменениях играет резкий рост концентрации парниковых газов в атмосфере и, прежде всего, CO₂. Сейчас предпринимаются огромные усилия не только по сдерживанию промышленных выбросов углекислого газа, но и по его улавливанию из атмосферы и «захоронению» в жидком или твердом виде в подземных резервуарах.

В типичном проекте по захоронению углекислоты предполагается, что она будет закачиваться в пористые породы, закрытые сверху непроницаемым для углекислоты перекрывающим пластом. Разумеется, для реализации технологии потребуется и метод контроля за эволюцией углекислоты в хранилище как по мере его наполнения, так и в дальнейшем. Чтобы вся процедура была экономически целесообразной, этот метод должен быть дешевым. И именно здесь мюонная радиография оказывается очень кстати.

В вышедшей на днях статье описывается схема, в которой компактные листы мюонного детектора спускаются под землю через те же шахты, по которым будет закачиваться углекислота. Листы детектора будут установлены под основным объемом резервуара и начнут сразу же мониторить поток и угловое распределение мюонов. Поскольку глубина залегания будет достигать километра, до детектора будет добивать очень мало мюонов, порядка нескольких штук на квадратный метр в час. Однако мюонные детекторы достаточно дешевы и если покрыть ими площадь в тысячу квадратных метров, то уже за месяц-другой они позволят отслеживать процесс заполнения хранилища с точностью до процентов.

Игорь Иванов