Физики частиц нашли большую, скрытую пустоту в пирамиде Хуфу, крупнейшей пирамиде в Гизе, Египет, построенной между 2600 и 2500 годами до нашей эры. Открытие, о котором было написано в Nature, было сделано с использованием визуализации на основе космических лучей и может помочь ученым выяснить, как на самом деле была построена загадочная пирамида.
В основе их технологии лежит отслеживание частиц, называемых мюонами. Они очень похожи на электроны — с таким же зарядом и квантовым свойством под названием спин — но в 207 раз тяжелее. Это различие в массе весьма важно, поскольку определяет, как эти частицы взаимодействуют, когда сталкиваются с материей.
Высокоэнергетические электроны испускают электромагнитное излучение, например рентгеновские лучи, когда сталкиваются с твердым веществом — в результате чего теряют энергию и застревают в нем. Поскольку масса мюона намного выше, выброс электромагнитного излучения подавляется в 207 раз по сравнению с электронами. Поэтому мюоны не так быстро останавливаются при столкновении с каким-либо веществом — они отлично пронзают его насквозь.
Мюоны обычно рождаются в космических лучах. Верхняя атмосфера Земли постоянно бомбардируется заряженными частицами от солнца и других источников за пределами нашей Солнечной системы. Именно последние обеспечивают высокоэнергетические космические лучи, которые могут генерировать мюоны и другие частицы в цепочке реакций.
Поскольку мюоны имеют относительно большой срок жизни и довольно стабильны, они представляют собой самые многочисленные частицы в космических лучах, видные на уровне земли. И хотя по пути теряется много энергии, иногда мы наблюдаем и мюоны с очень высоким ее показателем.
Мюоны на службе науки
Обнаружить эти частицы довольно легко. Они оставляют тонкий след «ионизации» на своем пути — то есть выбивают электроны из атомов, оставляя атомы заряженными. Это очень удобно: ученые могут использовать несколько детекторов, чтобы проследить путь мюона до самого источника его происхождения. Более того, если на пути мюона будет много вещества, он может потерять всю энергию, застрять в веществе и распасться (разделиться на другие частицы) до непосредственного обнаружения.
Эти свойства делают мюоны отличными кандидатами для съемки объектов, которые, как правило, непроницаемы или непрозрачны для привычных нам методов наблюдения. Подобно тому, как кости оставляют тень на фотографической пленке, подверженной воздействию рентгеновских лучей, тяжелый и плотный объект с большим атомным числом создаст тень, или уменьшит количество мюонов, способных проходить через этот объект.
Впервые мюоны были использованы таким образом в 1955 году, когда Э. П. Джордж измерил вскрышу горных пород над туннелем, сравнив поток мюонов снаружи и внутри него. Первая известная попытка сделать «мюограмму» состоялась в 1970 году, когда Луис Альварес искал расширенные каверны во второй пирамиде Гизы, но не нашел ни одного.
За последние десять лет мюонная томография обрела второе дыхание. В 2007 году японцы сделали мюограмму кратера вулкана Асама, чтобы исследовать его внутреннюю структуру.
Мюонные сканы также использовались для исследования останков реактора на Фукусиме.
Исследуя Хуфу
Простейший способ изучить большой объект вроде пирамиды при помощи мюонов — взглянуть на различия в потоке мюонов, через него проходящий. Твердая пирамида оставит тень либо уменьшит число мюонов, через нее проходящих. Если в пирамиде будет большая пустота, мюонный поток увеличится по ходу этой пустоты. Чем больше разница между «твердым» и «полым», тем проще ее найти.
Все, что вам нужно, это сесть где-нибудь рядом, взглянуть немного вверх от горизонта к пирамиде и сосчитать число мюонов, поступающих со всех сторон. Поскольку космические мюоны должны быть энергичными, чтобы пройти через целую пирамиду, и поскольку наши «глаза» относительно невелики, нам придется посидеть и посчитать некоторое время, обычно несколько месяцев, чтобы насчитать достаточно мюонов. Точно так же, как мы при помощи двух глаз составляем трехмерную картину мира в своей голове, нам понадобится два отдельных детектора-«глаза», чтобы получить трехмерную картинку пустоты внутри пирамиды.
Интересное в подходе этой команды то, что они выбрали три различные технологии детекторов для исследования пирамиды. Первая из них несколько старомодная, но предлагает более высокое разрешение получаемого изображения: фотографические пластины, которые почернели от ионизации. Их оставили на несколько месяцев внутри одной из известных камер пирамиды и проанализировали в Японии после сбора данных.
Для второго метода использовались пластиковые «сцинтилляторы», которые производят световую вспышку при прохождении заряженной частицы через них. Эти типы детекторов используются в нескольких современных нейтринных экспериментах.
Наконец, камеры, заполненные газом, в которых можно контролировать ионизацию, вызванную заряженными частицами, использовались для того, чтобы прямо просмотреть вновь обнаруженную пустоту.
Электронный сигнал этих детекторов передавался напрямую в Париж по 3G. Конечно, пирамида с тремя известными полостями и гигантской пустой галереей внутри — довольно сложный объект для мюограммы (она показывает только белое и черное). Поэтому зачастую эти изображения необходимо сравнивать с компьютерным моделированием космических мюонов и изученной пирамидой, параллельно. Тщательный анализ снимков всех трех детекторов и компьютерной модели выявил 30-метровую пустоту, которая оставалась неизвестной до сих пор, в Великой пирамиде Гизы. Поразительный успех для нового инструментария.
Теперь этот метод может помочь нам изучить подробную форму этой пустоты. Хотя мы ничего не знаем о роли этой структуры, исследовательские проекты с привлечением ученых из других дисциплин могут брать за основу новое исследование. Приятно наблюдать, как ультрасовременная физика частиц помогает нам проливать свет на древнейшую человеческую культуру.
