Космические лучи почти повсеместно присутствуют в нашей вселенной, проносясь сквозь пространство со скоростью, практически равной скорости света. Их излучает Солнце, а также взрывы сверхновых звезд в далеких галактиках. Каждую секунду Земля подвергается воздействию этих лучей, состоящих из триллионов субатомных частиц. Когда космические лучи сталкиваются с нашей атмосферой, некоторые из них отражаются магнитным полем планеты, а другие достигают нас на Земле, не причиняя вреда. Когда лучи проходят сквозь атмосферу, они подвергаются ряду реакций, в результате которых образуется «дождь» из новых субатомных частиц, в том числе мюонов.
Мюонная визуализация: как космические лучи помогают в изучении вулканов и объектов культурного наследия
Что есть что в ядерной сфере
Космические лучи почти повсеместно присутствуют в нашей вселенной, проносясь сквозь пространство со скоростью, практически равной скорости света. Сталкиваясь с атмосферой Земли, они создают поток новых частиц, одними из которых являются мюоны. Мюоны позволяют заглянуть глубоко внутрь крупных объектов, физический доступ к которым проблематичен или невозможен, например, древних зданий, вулканов или даже ядерных реакторов.
Мюоны загадочны, потому что некоторые их свойства отклоняются от положений ведущей теории физики частиц, известной как стандартная модель. Тем не менее ученые смогли найти применение этим таинственным частицам — благодаря методу, похожему на обычную радиографию. Мюоны позволяют заглянуть глубоко внутрь крупных объектов, физический доступ к которым проблематичен или невозможен, например, древних зданий, вулканов или даже ядерных реакторов.
«Несмотря на то что мы их не видим, мюоны присутствуют на Земле практически повсюду: они постоянно проходят сквозь нас и окружающие нас объекты под любым углом со скоростью, почти равной скорости света, — говорит Иэн Суэйнсон, ядерный физик из МАГАТЭ. — Они совершенно безвредны для людей, но могут проникать через сотни метров горной породы или камня, являясь универсальным средством для изучения состава и параметров материалов, которые иначе были бы для нас невидимы».
«Мюонная визуализация в некотором смысле похожа на рентген или гамма-радиографию, которые используются в медицине для сканирования пациентов и в промышленности для оценки целостности и безопасности различных конструкций и компонентов, — говорит Андреа Джамманко, специализирующийся на частицах физик и один из авторов новой публикации. — Но если эти виды радиографии опираются на мощные искусственные источники излучения, создаваемые ускорителями частиц или радиоактивными источниками, то мюонная радиография использует космические лучи, которые приходят из космоса естественным путем».
Существует два основных типа мюонной визуализации: мюография и томография мюонного рассеивания.
Мюография предполагает размещение под объектом или сбоку от него детектора, улавливающего пропускаемые через него мюоны. Чем плотнее материал, тем больше мюонов будет им поглощено, при этом детектор зафиксирует частицы, которым удается пройти через материю объекта. На полученном изображении пустые пространства, через которые мюоны проходят легко, будут обозначены яркими пятнами, а материалы с более высокой плотностью будут темнее.
В то время как мюография основана на поглощении мюонов материалами, томография мюонного рассеивания фиксирует рассеивание мюонов. К примеру, используя два детектора, расположенные на двух противоположных сторонах автомобиля или грузового контейнера, эксперты могут отследить, как частицы отклоняются от материалов высокой плотности с большим количеством протонов, что позволяет «заглянуть» внутрь без необходимости физического осмотра.
Космические лучи сталкиваются с атмосферой Земли, создавая поток новых частиц, одними из которых являются мюоны (Графика: А. Власов/МАГАТЭ).
С момента первых экспериментов в 1950-х годах мюонная визуализация применяется при анализе структуры разнообразных объектов по всему миру. В настоящее время мюография используется для изучения внутренней части вулкана Везувий вблизи Неаполя. Именно этот вулкан в 79 году н. э. уничтожил древнеримский город Помпеи и несколько других поселений. Для моделирования происходящих внутри Везувия процессов исследователи используют мюонные детекторы. Это имеет первостепенное значение для прогнозирования его потенциальных извержений и их масштабов, а также для разработки мер по снижению рисков для местного населения. С момента своего последнего извержения в 1944 году вулкан бездействует.
Аналогичным образом мюонная визуализация применялась для сканирования древней Городской стены города Сиань в Китае, а также циклона в Японии, Альпийских ледников и ядерного реактора во Франции, находящегося в стадии вывода из эксплуатации.
В следующем году МАГАТЭ планирует провести семинар-практикум «Мюонная томография: от основных принципов к практическому использованию и применениям». Его участники обсудят различные способы применения этого метода в практических целях, свойства используемых детекторов, алгоритм реконструкции мюонных потоков, а также анализ данных и восстановление изображений.
В новой публикации МАГАТЭ подробно изложены основные методы мюонной визуализации и различные типы детекторов. В ней также описывается широкий спектр применений: от изучения современных и древних сооружений, вулканов и промышленных объектов до повышения ядерной безопасности и осуществления гарантий. «Эта публикация представляет собой всеобъемлющий обзор мюонной визуализации, она будет полезна читателям из промышленной сферы, а также научным сотрудникам для более глубокого понимания этой развивающейся области», — отмечает Суэйнсон.
С публикацией можно ознакомиться здесь.
Мюография (Графика: А. Власов/МАГАТЭ).
What are muons?
Our universe is filled with countless cosmic rays that sweep through space at nearly the speed of light. They are emitted by the sun or come from supernova explosions in distant galaxies. Every second, the Earth is bombarded by these rays, consisting of trillions of sub-atomic particles. When cosmic rays collide with our atmosphere, some of them are deflected by the planet’s magnetic field, while others reach us here on Earth – without causing any harm. As the rays pass through the atmosphere, they undergo a series of reactions, creating a shower of new sub-atomic particles. Among these are muons.
Muons are puzzling, because some of their properties deviate, subtly but significantly, from the predictions of the leading theory of particle physics, known as the standard model. Yet scientists have found a way to use the mysterious particles, which resembles conventional radiography, to look deep inside large objects where physical access is not possible, such as ancient buildings, volcanoes or even nuclear reactors.
“Even though we can’t see them, muons are everywhere on Earth: they continuously pass through us and objects around us at almost the speed of light from all angles,” said Ian Swainson, a Nuclear Physicist at the IAEA. “They are completely harmless to people but can penetrate hundreds of metres of rock to provide a versatile means for understanding the composition and dimensions of materials which would otherwise be invisible to us.”
“Muon imaging works in some sense like X-ray or gamma ray radiography, which is used in medicine to scan the body and in industry to assess the integrity and safety of structures and components,” added Andrea Giammanco, Particle Physicist and one of the authors of the new publication. “But while those types of radiography rely on intense artificial sources of radiation produced by particle accelerators or radioactive sources, muon radiography is based on cosmic rays that come naturally from outer space.”
There are two general types of muon imaging: muography and muon scattering tomography (MST).
Muography involves placing a detector underneath or on the side of a structure to capture the muons passing through it. The denser the material, the more muons will be absorbed. Some of the particles that manage to traverse the structure will be caught by the detector on the opposite side. In the resulting image, empty spaces through which muons pass easily will be marked as bright spots, while materials with higher densities will be darker.
Whereas muography relies on the absorption of muons by materials, muon scattering tomography (MST) is based on how muons are scattered. For example, using two detectors positioned on two opposite sides of a car or a shipping container, experts can track how the particles are deflected from high-density materials with a high number of protons, making it possible to look inside the vehicle or the container without the need for physical inspection.
Cosmic rays crash into the Earth's atmosphere, creating a stream of new particles, among them muons. (Graphic: A. Vlasov/IAEA)
The IAEA’s new publication describes in detail the main techniques of muon imaging and the different types of detectors involved. It also covers a wide range of applications: from examining modern and ancient buildings, volcanoes and industrial structures to enhancing nuclear security and safeguards. “Representing a comprehensive overview in the field of muon imaging, this publication is useful to readers in industry and academia to get a deeper understanding of this developing field,” Swainson said.
Since the first experiments carried out in the 1950s, muon imaging has been applied to a large variety of objects across the world. Muography is currently being used to evaluate the internal structure of the Vesuvius volcano near Naples, Italy, which tragically destroyed the ancient Roman city of Pompeii and several other settlements in 79 AD. Researchers are working to visualise the inner processes of Vesuvius with muon detectors in an attempt to improve their modelling, which is paramount for predicting any potential eruption and its course, as well as develop steps to reduce risks to the local population. The volcano has been inactive since its last eruption in 1944.
Similarly, muon imaging has been applied to scan the ancient city wall of Xi’an in China, a cyclone passing over Japan, glaciers in the Alps and recently a nuclear reactor in France that is undergoing decommissioning.
The IAEA plans to hold a workshop, titled ‘Muon Tomography: From Basic Principles to Practical Usage and Applications’ next year. The participants will discuss the various modes of applying the technique for practical applications, the properties of the detectors used, the algorithmic reconstruction of muon tracks, as well as data analysis and picture reconstruction.
The publication Muon Imaging can be found here.
Muography. (Graphic: A. Vlasov/IAEA)