Электрон - одна из самых распространенных частиц материи вокруг нас: каждый полный атом в известной нам Вселенной имеет хотя бы один электрон. Но у электрона есть и более редкие и теневые аналоги, один из которых - мюон. Мы можем не задумываться о мюонах, но они постоянно падают градом на поверхность Земли из-за края атмосферы.
Мюоны могут проходить через огромные участки горных пород, через которые не могут пройти электроны. Это удача для ученых, которые могут собирать более неуловимые частицы для создания изображений объектов, как если бы они были рентгеновскими лучами. За последние несколько десятилетий они использовали мюоны, чтобы пробить завесу извергающихся вулканов и заглянуть в древние гробницы, но только в двух измерениях. Немногочисленные трехмерные изображения были ограничены небольшими объектами.
Ситуация меняется. В работе, опубликованной сегодня в журнале Science Advances, исследователи создали полностью трехмерное мюонное изображение ядерного реактора размером с большое здание. Это достижение может дать экспертам новые, более безопасные способы проверки старых реакторов или ядерных отходов.
"Я думаю, что для таких больших объектов это первый случай чисто мюонной визуализации в 3D", - говорит Себастьен Прокур, физик-ядерщик из Университета Париж-Сакле во Франции и один из авторов исследования.
Мюонная визуализация возможна только с помощью космических лучей. Несмотря на свое солнечное название, большинство космических лучей - это ядра атомов водорода или гелия, спустившиеся на Землю из далеких галактик. При столкновении с нашей атмосферой они превращаются в непрекращающийся ливень радиации и субатомных частиц.
Внутри дождя находится мюонный ливень. Мюоны тяжелее - примерно в 206 раз массивнее своих электронных собратьев. Они также очень нестабильны: В среднем каждый мюон существует около одной миллионной доли секунды. Этого времени достаточно для того, чтобы около 10 000 частиц поразили каждый квадратный метр Земли в минуту.
Поскольку мюоны тяжелее электронов, они также более энергичны. Они могут проникать сквозь, казалось бы, непроницаемые породы, например, скалы глубиной более полумили. Ученые могут поймать эти мюоны с помощью специально разработанных детекторов и подсчитать их. Большее количество мюонов, проникающих в определенном направлении, может указывать на наличие в этом направлении пустоты.
При этом они могут собирать данные о пространствах, куда не ступает нога человека. Например, в 2017 году исследователи обнаружили скрытое углубление глубоко внутри Великой пирамиды Хуфу в Гизе, Египет. После того как в 2011 году цунами разрушило атомную электростанцию "Фукусима-1", мюоны позволили ученым оценить ущерб с безопасного расстояния. Физики также использовали мюоны для проверки бочек с ядерными отходами без риска утечки при их вскрытии.
Однако получение мюонного изображения имеет и некоторые недостатки. Во-первых, физики не могут контролировать количество мюонов, падающих с неба, а миллионы, которые падают на Землю каждый день, на самом деле не так уж и много в великой схеме вещей. "Чтобы получить одно изображение в мюографии, может потребоваться несколько дней", - говорит Прокур. "Приходится ждать, пока не будет достаточно".
Обычно мюонные имиджмейкеры делают снимки с помощью детектора, который подсчитывает, сколько мюонов ударяет в него с разных сторон. Но с помощью одного аппарата можно определить только наличие полого пространства, но не расстояние до него. Это ограничение приводит к тому, что большинство мюонных изображений оказываются запертыми в двух измерениях. Это означает, что если вы сканируете фасад здания, вы можете увидеть отдельные комнаты, но не планировку. Если вы хотите изучить пространство в деталях, отсутствие третьего измерения является серьезным препятствием.
Теоретически, делая мюонные снимки с разных точек зрения, можно сшить их вместе в трехмерную реконструкцию. Именно так радиологи поступают с рентгеновскими снимками. Но если сотни рентгеновских снимков под разными углами сделать легко, то с мюонами это гораздо утомительнее и требует много времени.
Трехмерные мюонные изображения ядерного реактора G2. Procureur et al., Sci. Adv. 9, eabq8431 (2023)Тем не менее, Прокур и его коллеги попробовали. Речь шла о старом реакторе в Маркуле, атомной электростанции и исследовательском центре на юге Франции. Реактор G2, как его называют, был построен в 1950-х годах. В 1980 году реактор был окончательно остановлен; с тех пор французские ядерные власти медленно удаляли компоненты из здания. Теперь, готовясь к окончательному выводу G2 из эксплуатации, они хотели провести еще одну проверку безопасности конструкций внутри здания. "Поэтому они обратились к нам, - говорит Прокур.
Ученые и раньше делали трехмерные мюонные изображения небольших объектов, таких как танки, но G2, расположенный внутри бетонного цилиндра размером с небольшую подводную лодку и вмонтированный в металлическую стену здания размером с самолетный ангар, требовал проникновения в гораздо большее количество слоев и площади.
К счастью, этот цилиндр оставил достаточно места для того, чтобы Прокур и его коллеги установили четыре газонаполненных детектора в стратегических точках вокруг и под реактором. Перемещая детекторы, они смогли сделать в общей сложности 27 мюонных снимков с длительной экспозицией, на получение каждого из которых ушло несколько дней подряд.
Но самое сложное, говорит Прокьюрер, заключалось не в том, чтобы установить мюонные детекторы или даже запустить их: А в том, чтобы потом собрать изображение воедино. Чтобы запустить процесс, команда адаптировала алгоритм, используемый для сшивания анатомических изображений в медицинской клинике. Хотя процесс был кропотливым, они добились успеха. На итоговых изображениях они смогли вычленить такие маленькие объекты, как охлаждающие трубы диаметром около двух с половиной футов.
"Важно то, что они сделали это", - говорит Алан Бросс, физик из Фермилаба в пригороде Чикаго, который не участвовал в этом исследовании. "Они построили детекторы, они отправились на место и сняли данные... что действительно важно".
По словам Прокьюра, эти усилия были лишь доказательством концепции. Теперь, когда они знают, что может быть достигнуто, они решили перейти к новой задаче: визуализации ядерных контейнеров в других местах. "Точность будет значительно выше", - отмечает Прокьюр.
Вскоре на горизонте могут появиться еще более крупные цели. Вернувшись в Гизу, Бросс и некоторые его коллеги работают над сканированием Великой пирамиды в трех измерениях. "По сути, мы используем ту же технику, - объясняет он, - но в гораздо более впечатляющих масштабах".