kozmos.hr
Znanost

Mioni otkrivaju tajne skrivenih struktura na Zemlji

objavljeno

Subatomske čestice otkrivaju misterije unutrašnjosti piramida, vulkana i još mnogo toga.

Unutar egipatske Velike piramide u Gizi nalazi se tajanstvena šupljina čiju prazninu nije vidjeo niti dotaknuo niti jedan živi čovjek. No, srećom, znanstvenici više nisu ograničeni samo na ljudska osjetila.

Kako bi istražili obrise neistražene unutrašnjosti piramide, znanstvenici su slijedili tragove sićušnih subatomskih čestica zvanih mioni.

Mioni su posvuda na površini Zemlje. Nastaju kada visokoenergetske čestice iz svemira, poznate kao kozmičke zrake, udare u Zemljinu atmosferu. Mioni neprestano pljušte kroz atmosferu pod različitim kutovima.

Protoni i druge čestice visoke energije iz svemira udaraju u Zemljinu atmosferu i stvaraju poplavu drugih čestica. Pioni i kaoni mogu se raspasti u mione, od kojih neki dospiju na površinu Zemlje, zajedno s neutrinima koje je teško detektirati. IZVOR: A. GIAMMANCO

Kada stignu do površine Zemlje, čestice dotiću unutrašnjost velikih struktura poput piramida.

Mjerenje koliko se čestica apsorbira dok prolaze kroz strukturu može otkriti gustoću objekta i otkriti sve skrivene praznine unutar njega.

Tehnika podsjeća na snimanje ogromne rendgenske slike, kaže Mariaelena D’Errico, fizičarka s Nacionalnog instituta za nuklearnu fiziku u Napulju, Italija, koja proučava Vezuv s mionima.

Ali “umjesto rendgenskih zraka, koristimo … prirodni izvor čestica”, vlastitu, beskrajnu zalihu miona na Zemlji.

Jedinstvena čestica

Kada je čestica prvi put otkrivena, fizičari su se pitali zašto ona uopće postoji. Dok elektroni igraju ključnu ulogu u atomima, teži mioni nemaju tu svrhu.

Ali mioni su se pokazali idealnim za izradu vizualizacija interijera velikih predmeta.

Masa miona je oko 207 puta veća od mase elektrona.

Razlika između elektrona i miona koji prolaze kroz materiju je kao razlika između metka i topovske kugle, kaže fizičarka čestica Cristina Cârloganu.

Zid će zaustaviti metak, ali neće zaustaviti topovsku kuglu.

Miona ima u izobilju, tako da nema potrebe za stvaranjem umjetnih tvari ili zraka, kao kod rendgenskog snimanja.

Mioni su “besplatni”, kaže Cârloganu iz CNRS-a i Nacionalnog instituta za nuklearnu i fiziku čestica u Aubièreu u Francuskoj.

Također ih je vrlo lako otkriti

Detektori su napravljeni od plastičnih traka i svjetlosnih senzora.

Zato je ova čestica toliko jedinstvena.

Kako nam mioni otkrivaju praznine?

Mioni imaju negativan električni naboj, poput elektrona. Njihove antičestice, antimuoni, koji također pljušte Zemljom, imaju pozitivan naboj.

Detektori miona hvataju tragove i negativno i pozitivno nabijenih varijanti. Kada te čestice prolaze kroz materijal, one gube energiju na različite načine, na primjer, sudarajući se s elektronima i odvajajući ih od atoma.

S tim gubitkom energije, mioni usporavaju, ponekad dovoljno da se zaustave. Što je materijal gušći, to će manje miona proći do detektora postavljenog ispod ili sa strane materijala. Tako veliki, gusti objekti kao što su vulkani ili piramide bacaju mionsku sjenu. I sve praznine unutar tih struktura pojavit će se kao svijetle točke unutar te sjene, jer više miona može provući kroz njih.

Istraživanje piramida pomoću muografije

Muografija se dokazala u piramidama. Jedna od prvih upotreba tehnike bila je 1960-ih, kada su fizičar Luis Alvarez i kolege tražili skrivene komore u Khafreovoj piramidi u Gizi, nešto manjem susjedu Velike piramide. Detektori nisu pronašli naznaku neočekivanih prostorija, ali su dokazali da tehnika radi.

Dok su prvi detektori bili vrlo glomazni i van laboratorijskih uvijeta slabije su funkcionirali. Sada, zahvaljujući napredku tehnologije napravljeni su kompaktni i pouzdani detektori.

Jedna vrsta detektora izrađena je od plastike koja sadrži kemikaliju zvanu scintilator, koja oslobađa svjetlost kada mion ili druga nabijena čestica prođe. Svjetlost se zatim hvata i mjeri.

Kasnije ove godine, fizičari će koristiti ove detektore kako bi još jednom pogledali Khafreovu piramidu, izvijestili su Kouzes i njegovi kolege 23. veljače u časopisu Journal for Advanced Instrumentation in Science. Dovoljno kompaktan da stane u dvije velike torbe, detektor se “može prenijeti u piramidu, a zatim njime upravljati prijenosnim računalom “, kaže Kouzes.

Drugačiji tip detektora, nazvan nuklearni emulzijski film, bio je ključan za otkrivanje skrivene praznine Velike piramide 2017. Nuklearne emulzije bilježe tragove čestica u posebnoj vrsti fotografskog filma. Detektori se ostavljaju na mjestu neko vrijeme, a zatim se vraćaju u laboratorij na analizu tragova utisnutih u njima.

Od otkrića praznine, znanstvenici poduzimaju dodatna mjerenja kako bi bolje skicirali njezina svojstva. Tim je postavio detektore s emulzijama  na 20 mjesta u piramidi, kao i detektore plina na nekoliko različitih mjesta. Koristeći svoj novi niz instrumenata, istraživači su utvrdili da je praznina duga preko 40 metara. Njezina je svrha još uvijek nepoznata.

 

Znanstvenici su postavili tri različite vrste mionskih detektora u i oko Velike piramide kako bi odredili gustoću strukture i tražili skrivene komore. IZVOR: K. MORISHIMA ET AL/NATURE 2017

Opsežnija istraživanja

Drugi tim istraživača planira opsežnije istraživanje Velike piramide, postavljajući mnogo veće detektore izvan piramide. Detektori će se povremeno premještati za mjerenje miona iz više kutova, izvijestio je tim 6. ožujka u časopisu Journal for Advanced Instrumentation in Science. Rezultat će, kaže koautor i fizičar čestica Alan Bross iz Fermilaba u Batavii, Ill., ponuditi 3-D prikaz onoga što je unutra.

Piramide u drugim dijelovima svijeta također su sve bliže ispitivanju. Garcia-Solis i suradnici sada planiraju muografiju piramide Maya poznate kao El Castillo u Chichén Itzá u Meksiku. Morishima i kolege također planiraju rad na piramidama Maya.

Znanstvenici se nadaju da bi takve studije mogle otkriti nove komore ili značajke koje nisu vidljive drugim tehnikama zavirivanja unutar objekata. Ultrazvuk, radar koji prodire u zemlju ili X-zrake, na primjer, mogu prodrijeti samo na malu udaljenost od površine, objašnjava Bross. Muoni, s druge strane, daju dublju sliku.

Zavirivanje unutar vulkana

Vezuv je poznata prijetnja u Napulju i okolnim općinama. Zloglasan po uništavanju drevnog grada Pompeja, vulkan miruje od 1944., kada je velika erupcija uništila nekoliko obližnjih sela.

“Vezuv me uvijek plašio”, kaže D’Erico. “Rođen sam i živim ispod ovog vulkana.” Sada, kao dio eksperimenta Muon Radiography of Vezuvius, ili MURAVES, nastojimo bolje razumjeti vulkan i njegove opasnosti.

Koristeći detektore miona 1,5 kilometara od kratera vulkana, tim mapira gustoću miona – a time i gustoće stijena – na vrhu Vezuvovog stošca.

Informacije o strukturi vulkana mogu pomoći znanstvenicima predvidjeti koje opasnosti mogu očekivati ​​u eventualnoj erupciji, kao što je gdje bi moglo doći do klizišta.

Muografija je odlična metoda, no trebalo bi ju poboljšati i potkrijepiti drugim metodama kako bi uz strukturalne slabosti, mogla ukazivati i na moguće erupcije. Te metode uključuju seizmička mjerenja, kao i promatranja deformacija tla i emisija vulkanskih plinova.

Baš kao što je otkriće X-zraka otkrilo potpuno novi način gledanja na svijet, iskorištavanje miona moglo bi promijeniti našu perspektivu naše okoline. Stavovi prema čestici za koju su fizičari nekoć smatrali da je nepotrebna – neželjena i nevoljena od strane fizičara – su se transformirali. Možda bi jednog dana mioni mogli spasiti živote.

Pridružite se raspravi u našoj Telegram grupi. KOZMOS Telegram-t.me/kozmoshr

Izvori:

Emily Conover (22. travnja 2022.,) “Muons spill secrets about Earth’s hidden structures,” Science News