Laserohjattu muonikuvaus paljasti betonin sisään tutkimus

Kuvittele säde, joka on niin voimakas, että se synnyttää hiukkasia, jotka kulkevat lähes kahden metrin raudoitetun betonin lävitse ja heittävät varjon sen takana olevista piilotetuista esineistä. Juuri tämän tutkijat ELI-NP:ssä Romaniassa ovat äskettäin osoittaneet: ensimmäisen laatuaan oleva kuva, joka on tehty muoneilla, joita maailman voimakkain laser tuotti.

Miten muoneista tuli kamera

Muonit ovat elektronin serkkuja: raskaampia ja lyhytikäisiä, ja niitä syntyy tavallisesti, kun kosmiset säteet iskevät Maan ilmakehään. Ne käyttäytyvät kuin pienet, erittäin läpäisevät luodit: osa kulkee läpi tiheän kiven ja metallin, joita edes voimakkaat röntgensäteet eivät läpäise. Tutkijat ovat hyödyntäneet luonnollisia muonisuihkuja aiemmin esimerkiksi kartoittaessaan Egyptin pyramideja ja kurkistaessaan kaivoskäytäviin. Luonnolliset muonit saapuvat kuitenkin rajoitetuista suunnista ja pienessä määrin, mikä vaikeuttaa nopeaa ja suunnattua kuvantamista.

Rajoitteen voittamiseksi tiimit ovat kääntyneet keinotekoisen tuotannon puoleen. Kohdistamalla korkean intensiteetin laser kohteeseen kiihdytetään elektroneja äärimmäisiin energia-arvoihin, ja kun nämä elektronit osuvat muuntimeen, syntyy pioneja ja niiden jälkeen muoneja. Viime vuonna Kiinan, Yhdysvaltojen ja Ison-Britannian yhteistyöryhmät todistivat perustekniikan laserilla tuotettujen muonien synnyttämiseksi. ELI-NP-kokeilu vie kehityksen seuraavalle tasolle käyttämällä 10 petawatin laseria tuottamaan säteen, joka on tarpeeksi voimakas kuvatakseen esineitä lähes kahden metrin paksuuden betonisuojan takana.

Romanialaisen kokeen kulissit

ELI-NP-tiimi fokusoiti 10 petawatin pulssin kiihdyttääkseen elektroneja ja ohjasi ne lyijymuuntimeen synnyttämään sekundaarihiukkasten kaskadin. Polyeteenilevyistä ja parafiinilohkoista koostunut suodatuspino poisti monia ei-toivottuja varautuneita hiukkasia, jättäen jäljelle suhteellisen puhtaan muonivirran. Nuo muonit kulkivat sitten 1,8 metrin betoniseinän läpi ja osuivat toisella puolella pakettiauton sisälle sijoitettuihin ilmaisimiin. Ilmaisimien tallentama ei ollut teräväpiirtokuva, vaan selkeä muonograafinen siluetti: seinän taakse sijoitetut lyijylohkot tuottivat havaittavia varjoja verrattuna tyhjään vertailutilanteeseen.

Varhaiset kuvat ovat rakeisia. Niistä puuttuu optisten kameroiden terävä yksityiskohta. Silti tuloksella on merkitystä. Se osoittaa kontrolloidun tavan tuottaa muoneja pyynnöstä ja käyttää niitä suunnattuun kuvantamiseen sen sijaan, että odotettaisiin kosmisten muonien hidasta ja stokastista virtaa.

Aiemmat kokeet ovat osoittaneet samankaltaisia mahdollisuuksia. Eräässä aiemmassa testissä kuvattiin lyijypainoja kuorma-auton sisällä, mutta tutkijat eivät voineet luotettavasti määrittää, kuinka moni tallennetuista hiukkasista oli todellisia muoneja, mikä jätti ensimmäisen keinotekoisella muonilla tehdyn kuvan kiistanalaiseksi. ELI-NP:n työ vahvistaa tätä tulosta yhdistämällä korkean tehon laserlähteen fyysisiin suodattimiin ja selkeään ilmaisinasetteluun.

Seuraukset ja seuraavat askeleet

Missä laserohjattu muonikamera voisi olla hyödyllinen? Ajattele ei-invasiivista tarkastusta paikoissa, joissa perinteiset tutkimusmenetelmät epäonnistuvat: paksun betonin ja kiven skannaus kaivostutkimuksissa, haudattujen perustusten tai historiallisten kivirakenteiden ytimien tarkastus sekä tiheän rahtikuorman tai laivan runkorakenteen seulonta ilman tuhoavaa avautumista. Ilmailu- ja turvallisuusalalla insinöörit voisivat käyttää tällaista kuvantamista sisäisten metallirakenteiden varmentamiseen rakettivaiheissa tai bulk-aluksissa, joissa pääsy on rajoitettu.

Haasteita on kuitenkin edelleen. Muonituotannon on oltava tehokkaampaa ja kompaktimpaa. Ilmaisinjärjestelmät tarvitsevat nopeamman lukutoiminnon ja paremman resoluution. Tutkimusryhmä huomauttaa, että nämä ovat aikaisia demonstrointeja eivätkä valmiita kenttälaitteita. He kuitenkin näkevät tulevaisuudessa kannettavan instrumentin, joka on innoittunut laboratoriokokoonpanosta: pienemmän kiihdyttimen ja ilmaisinsarjan, jota voitaisiin käyttää kohdennetuissa tarkastuksissa.

Koe-kuvausta kuvaava luonnosartikkeli on saatavilla arXivissa, ja tiedeyhteisö seuraa tekniikan kehittymistä. Tällä hetkellä ELI-NP:n tulos on merkittävä konseptin todistus: kontrolloitu muonien tuotanto voi tehdä jotain, mitä luonnolliset muonit jo tekevät, mutta pyynnöstä ja mahdollisesti uusista kulmista ja nopeuksilla. Tämä kontrolli voi muuttaa tapaa, jolla kurkistamme maapallon tiheimpiin osiin.