Увидеть невидимое: как учёные заглядывают в недра вулканов и узнают, что происходит внутри разрушенных энергоблоков АЭС Фукусима

Вселенная наполнена стремительно движущимися элементарными частицами, которые генерируются звездами и сверхмассивными черными дырами. Потоки этих частиц, движущихся с высокими энергиями называют космическими лучами. Попадая в атмосферу нашей планеты, они сталкиваются с наполняющими её молекулами, производя потоки мюонов.

Мюоны в 207 раз тяжелее тех же электронов и движутся очень быстро. В них примерно в 10000 раз больше энергии, чем в обычном рентгеновском излучении. Это звучит жутко, но, если верить расчетам физиков, то на каждый квадратный метр поверхности планеты ежеминутно попадает по десять тысяч мюонов.




Мюоны спокойно проходят сквозь человека и как ни в чем ни бывало летят дальше. Они способны углубляться в Землю на 2,5 километра, прежде чем распасться на другие, более стабильные частицы. В общем, их очень много, и они превосходно проникают сквозь любые объекты. Ещё в пятидесятых годах прошлого века ученые начали применять их для зондирования труднодоступных локаций. Сегодня эта технология известна как мюонная радиография.

Несмотря на то, что мюоны проходят сквозь твердые тела намного легче, чем рентгеновские лучи, они все же теряют скорость, сталкиваясь с атомами. И чем медленнее они движутся, тем быстрее распадаются. Чем плотнее материал, тем меньше частиц добирается до детектора, создавая двухмерную конечную картинку.

Рентгеновский аппарат работает схожим образом: здесь более тяжелые атомы плотного вещества поглощают больше частиц излучения. Это, например, кости, поэтому они хорошо видны на снимках.




Но мюоны способны преодолевать гораздо большее расстояние, поэтому их используют для зондирования более крупных объектов. Это и здания, и даже горы. Ученые могут получить трехмерную картинку – для этого нужно установить несколько детекторов, а затем объединить их показания.

В некоторых случаях наблюдаемое пятно образовано воздухом. В 2017 году ученые посредством мюонной радиографии обнаружили скрытую камеру внутри Пирамиды Хеопса.




Этот же метод был применен и для изучения внутренней структуры вулканов Везувий и Этна – четкость полученного изображения в данном случае оказалась в 10 раз лучше, чем у всех остальных технологий для изучения структуры объектов.

Поскольку жидкая магма не такая плотная, как твердые породы, её можно отслеживать в глубинах вулкана. Добавив показания других приборов, например, сейсмографов, можно получить еще более четкую картину. Имеется надежда, что однажды мюонная радиография позволит предсказывать извержения.




Также достойна внимания мюонная томография, изобретенная в 2003 году. Отслеживается при этом не только плотность материала, но и его химический состав, который определяется по степени отклонения мюонов. Здесь требуются как минимум два детектора. Один фиксирует угол вхождения частиц, а второй – угол выхода. Если один отличается от другого, это значит, что мюоны чем-то отклоняются.

Мюонная томография используется для сканирования грузовых контейнеров на наличие контрабанды и избавляет от необходимости копаться в них вручную.

Самое интересное, что мюонную радиографию можно применять для обследования ядерных объектов. Ни для кого не секрет, что реакторы и, допустим, хранилища ядерных отходов превосходно экранированы – это предотвращает радиоактивное заражение окружающей среды. Но заглянуть в них для проверки состояния дел с помощью рентгеновских лучей невозможно – как минимум потому, что рентгеновские лучи блокируются защитными экранирующими слоями.

Однако для мюонной томографии это не проблема. Если рентгеновские лучи не могут преодолеть и менее миллиметра свинца, то мюоны способны проникнуть и через двухметровый слой этого металла. А если учесть, что радиоактивные элементы, вроде плутония и урана, очень массивны, технология отлично справляется с определением их состава.




Этот метод использовался для создания трехмерных моделей реакторов и хранилищ ядерных отходов, в том числе на электростанции «Фукусима» – здесь с его помощью ученые ищут остатки ядерного топлива, оказавшегося в окружающей среде после аварии 2011 года.

Чуть ли не каждый год ученые придумывают новые и очень интересные способы использования мюонов. Здесь можно упомянуть и моделирование внутренней структуры циклонов, океанских приливов и цунами, и диагностику легких, позволяющую избежать длительного пребывания в аппарате МРТ. Применений мюонам придумано много, и рассказать обо всех в короткой статье невозможно. Они не так известны, как рентгеновские лучи, но, поверьте, ни в чем им не уступают.