Поток космических мюонов — частиц с массой в 200 раз большей, чем у электрона, обладающих поэтому большой проникающей способностью (они тратят энергию только на ионизацию, не порождая, как электроны, электромагнитные ливни), — используют в качестве дарового источника для технической радиологии. С помощью мюонов, возникающих в верхних слоях атмосферы под действием космических лучей (протонов и ядер, приходящих из далёкого космоса), оказалось возможным просвечивать большие толщи вещества и находить в нём дефекты, наподобие того, как рентгеновские лучи просвечивают ткани организма. Нобелевский лауреат американский физик Луис Альварес провёл в конце 1960-х годов мюонное просвечивание пирамиды Хефрена в Гизе (Египет), пытаясь обнаружить «пустоты» в её монолите. Ими могли быть скрытые камеры и проходы, которые должны пропускать более интенсивный поток мюонов, нежели сплошной камень, если они ничем не заполнены. Если же они забиты сокровищами, как было в сохранившейся гробнице Тутанхамона (золото, драгоценные камни и т. д.), интенсивность мюонного потока окажется ниже средней. Пирамида Хефрена стала первым объектом мюонной радиологии, так как в ней не было погребальных камер фараона и его жены, какие имелись в пирамиде Хеопса, отца Хефрена. Эксперимент, продолжавшийся несколько лет, не обнаружил ни пустот, ни, к сожалению, скрытых сокровищ. Однако и сам детектор, и считывающая электроника в то время были гораздо менее совершенны, чем сейчас.
Вторая попытка мюонной радиологии, уже на основе современной техники, проводится в наши дни в Мексике с целью найти скрытые захоронения в пирамиде Солнца в городе ацтеков Теотиуакан («Город богов»). Эксперимент начался в 2004 году под руководством директора Института физики в Национальном университете Мехико А. Менчака и археолога Л. Манзамиллы (см. «Наука и жизнь» № 11, 2004 г.). Предполагалось, что, используя опыт, полученный в Египте, и лучшую экспериментальную базу, задача будет выполнена за один год. У поверхности Земли поток мюонов с энергией более 10 ГэВ, которые проходят, не поглощаясь, через массив пирамиды, составляет 104 частиц/мин·м2. Ожидалось, что будет получено около миллиона следов мюонов, пронизавших пирамиду. Однако на пути мюонного просвечивания встретились значительные трудности, затянувшие эксперимент.
Мудрые египтяне
Еще в 1980-х годах появилось сообщение французских архитекторов Дж. Лакшманана и Дж. Монтлюкона. Они обратили внимание на то, что крышки и стены погребальных камер пирамиды Хеопса сделаны не из известняка, как весь массив пирамиды, а из гранита. Плотность известняка 1,8 г/см3, а гранита — 2,7 г/см3 (отличие в 1,5 раза). В результате нивелируется разность толщин, проходимых мюонами в теле пирамиды и через «пустые» камеры. Очевидно, в пирамиде Хефрена, возведённой вскоре после пирамиды Хеопса, камеры той же конструкции, то есть окружены гранитной оболочкой. Альварес, утверждают архитекторы, за то же время наблюдения не увидел бы никаких «пустот» и в пирамиде Хеопса. Следовательно, отрицательный результат первого мюонного просвечивания нельзя считать строгим доказательством отсутствия погребальных камер у «Хефрена». Сам Альварес, которому архитекторы сообщили за год до его смерти свои замечания, согласился, что действительно «вопрос не закрыт» и надо провести дополнительные измерения, чтобы уловить более завуалированный эффект прохождения мюонов через «пустые» камеры.
Возникает вопрос: зачем погребальные камеры делали с гранитным окружением? Конечно, для большей их крепости и надёжности охраны покоя усопших владык. Но, может быть, и для того, чтобы максимально затруднить назойливым потомкам открытие своих секретов — даже таким изобретательным способом, как мюонная радиология. Остаётся встать перед тенью мудрых строителей пирамид и снять шляпу!
Современный эксперимент в Мексике должен, несомненно, учесть структуру пирамиды Солнца, кстати, менее однородную по сравнению с египетскими пирамидами, — ступенчатую, сложенную из более рыхлого известняка. А. Менчака, узнав о строении камер египетских пирамид, принял меры к выяснению структуры «своего объекта». В основании пирамиды был пробит проход и установлены состав и степень однородности стен. Измерению потока мюонов и его углового распределения — прохождения через разные точки пирамиды — предшествует компьютерный расчёт ожидаемых результатов в различных предположениях о наличии или отсутствии каких-либо особенностей. Расчёт делается для того, чтобы узнать, какую статистику (число зарегистрированных мюонов) надо получить. Теперь речь идёт уже о нескольких миллионах следов частиц. Однако «эффект архитекторов» затянул эксперимент.
Горизонтальные мюоны
Другое уточнение, также приводящее к затяжке наблюдений, пришло из США. Американский физик Б. С. Маглич (Ирвайн, Калифорния) предложил просвечивать пирамиду не вертикальным потоком мюонов (угол с направлением на зенит менее 45о), а более наклонным (условно — горизонтальным, зенитный угол более 45о). Такие мюоны имеют более жёсткий спектр, в среднем большую энергию (≥ 100 ГэВ) и, следовательно, более высокую проникающую способность. Они меньше рассеиваются и следуют, пересекая пирамиду, почти прямолинейно. Детектор должен располагаться не под пирамидой, где для него и группы обслуживания очень мало места, а сбоку — в спокойных, комфортных условиях проведения эксперимента. Контрастность выделения «особенностей» (пустых камер и комнат с сокровищами) сильно возрастает. Один недостаток — интенсивность потока горизонтальных мюонов во много раз меньше потока вертикальных, и, следовательно, время накопления необходимой статистики должно возрасти.
Прошло три года после объявления эксперимента, но просвечивание пирамиды Солнца, по сути, ещё не началось. Кроме указанных задержек, связанных с разной плотностью пород ожидаемых «пустых» камер и переходом на горизонтальные мюоны, потребовались согласование с археологами и разрешение властей на работу группы физиков в объекте, охраняемом ЮНЕСКО. Сейчас всё согласовано и разрешение получено.
Прошедшее время было использовано для усовершенствования детектора и проведения калибровочных работ. Детектор площадью 1 м2 состоит из двух рядов сцинтилляционных счётчиков для выделения мюонного потока и подавления фона частиц низкой энергии и шести многопроволочных пропорциональных камер — треккера, главного элемента установки, предназначенного для регистрации следов (треков) мюонов, пересекающих пирамиду. На рисунке показан результат теста по наблюдению гипотетического скрытого прохода размером 60 × 2 × 3 метра, расположенного в верхней части пирамиды. Отчётливо виден узкий пик, выходящий за пять стандартных отклонений, на горизонтальном угле θх = 15о, заметна также размытая особенность около зенитного угла θz = –25о.
В конце 2007 года детектор поместили в туннель под пирамидой и экспериментальное просвечивание наконец началось. Расчёт показывает, что необходимо набрать 5×104 треков мюонов с энергией не более 100 ГэВ, для чего потребуется по крайней мере год. Так что к декабрю можно ожидать первые результаты поиска скрытых особенностей в древней пирамиде инков.
Новые объекты мюонной радиологии
Пирамиды не единственный объект изучения с помощью атмосферных мюонов. Появились ещё два, которые в скором времени могут по своей значимости и широкому применению намного превзойти просвечивание пирамид.
Мониторинг вулканов. В Японии, стране вулканов и землетрясений, решили применить мюонную радиологию для слежения за вулканической активностью. Доктор К. Нагамине в 1994 году предложил использовать поток атмосферных мюонов для постоянного слежения за вулканами. Детектор, строящий изображение, должен регистрировать горизонтальные мюоны, приходящие со стороны кратера. Задача — выделить в мюонной тени жерло кратера. Если бы это удалось — подбором энергии, углов прихода мюонов, выбором места расположения детектора постоянное наблюдение стало бы тестом активности вулкана. Первые наблюдения провела группа физиков обсерватории Нурикура на острове Хоккайдо. С помощью сравнительно простого детектора, состоявшего из рядов пропорциональных счётчиков и блока железа между ними, выделяющего частицы с энергией от 1 до 10 ГэВ, за год наблюдений были построены «мюонные тени» двух вулканов. Анализ показал, что «тени» отражают реальные детали топологии «снимаемых объектов». Выделялись кряжи, крутые спады и другие структурные особенности гор. Это был аналог первых рентгеновских снимков человека, ещё размытых и неясных, но показавших, что «дело пойдёт». Надо только улучшать технику наблюдений, добиваясь более высокого углового разрешения, устраняя мешающий изотропный фон, повышая яркость и контрастность мюонного изображения.
Существенного прогресса достигла в последнее время группа мюонной лаборатории ускорителя КЕК под руководством К. Нагамине. Наблюдались два близких вулкана, Асама и Западный Ивете, на севере острова Хонсю. Регистрировались наклонные потоки высокоэнергичных мюонов (десятки и сотни ГэВ), приходящих со стороны кратеров. Детектирующая аппаратура — проволочные пропорциональные камеры и калориметр для выделения частиц высокой энергии — была размещена в седловине между вулканами, так что одновременно наблюдались в «мюонном свете» тени обеих вершин. Наблюдения выделили на профиле вершин более темные (поглощающие) жерла вулканов, заполненные застывшей лавой. Благодаря высокой энергии частиц угловое разрешение мюонных следов было столь высоким, что позволило измерить размер жерла с точностью до нескольких метров. Наконец, удалось увидеть на мюонных снимках границу застывшей и расплавленной магмы в жерлах вулканов. Из-за разной плотности пород она предстала как граница между тенью (застывшая верхняя часть жерла) и полутенью (расплавленная нижняя часть). Длительные наблюдения показали, что граница передвигается. Это явное свидетельство непрекращающейся внутренней жизни вулканов. Когда граница тени поднимается, можно ожидать скорого извержения.
Метод мюонной радиологии может существенно дополнить, а возможно, даже станет главным (более доступным, точным, дешёвым) в ряду других методов отслеживания вулканической активности (выделение газов, измерение упругих свойств горных пород, регистрация электрических и акустических сигналов). Если к этому добавить компьютерный расчёт профиля вулкана, то по движению границы расплавленной магмы в жерле можно будет предсказывать не только время извержения, но и его место. Часто извержения происходят не через главный кратер, забитый застывшей лавой прежних извержений, а ниже его, где магма может прорвать новый проход. Раньше такие прорывы были совершенно неожиданны и потому наиболее опасны. Теперь и эту опасность можно будет прогнозировать. Мюонный мониторинг имеет все основания стать общемировым.
Слежение за перемещениями ядерных материалов. Группа физиков из лос-аламосского Национального центра (США) уже давно развивает метод мюонного зондирования грузов в портах и на таможнях для пресечения контрабанды делящихся материалов, в первую очередь урана и плутония (см. «Наука и жизнь» № 5, 2004 г.). За последнее время в этом направлении достигнуты значительные результаты, о которых доложил руководитель группы Р. Чартранд на сессии Американской ассоциации научных достижений (AAAS).
Высокорадиоактивные материалы тайно провозят в оболочках из тяжёлого металла, чаще всего свинца, для поглощения выделяющихся альфа-частиц, электронов и гамма-квантов. Иначе это опасно для самих контрабандистов, получающих значительные дозы, и может быть отмечено обычными дозиметрами, которыми снабжены все таможни для выявления в первую очередь заражённых продуктов. Обнаружение компактных тяжёлых объектов в контейнерах и служит основой предлагаемого метода, в котором опять фигурируют атмосферные мюоны. Лучшим оказался способ измерения углов входа мюонов в проверяемый контейнер и выхода из него, который показывает, насколько сильно рассеивается пучок. Урановый или плутониевый образец, помещённый в свинцовую оболочку толщиной 10 сантиметров, может быть выявлен за 0,5—1 минуту работы мюонного следового детектора. Чем больше провозимый контрабандный груз, тем быстрее он будет обнаружен.
Метод контроля за радиоактивными и делящимися веществами, наверное, не менее важен в наши дни, чем мониторинг вулканов. Несомненно, он будет взят на вооружение многими странами.
Литература
J.Lakshmanan, J.Montlucon. Geophys, 1987, v.6, p.10.
B.C.Maglich. Bull.APS, 1987, v.32, p.1067.
M.Schirber. Cosmic rays reveal hast and present- sec: muon detectors used in archeology, weapons control, LiveScience-MSNBC.com, 2005, Internet.
R.Alfaro, E.Belmont, V.Grabski et al. Searching for possible hidden chambers in the Pyramid of the Sun, ICRC 2007, Proceedings, report N 184, Internet.
