Космические лучи — это потоки заряженных частиц, пронизывающие космическое пространство почти со скоростью света. Чаще в них встречаются протоны, но есть электроны, ядра гелия и других, более тяжёлых, химических элементов. Такие частицы могут выводить из строя технику на орбите, но для землян излучение почти безвредно: мы находимся под защитой атмосферы и магнитного поля Земли. А ещё нас защищает солнечная активность: вспышки на Солнце, приближаясь к околоземному пространству, блокируют потоки галактических частиц. Рассказываем, что такое космические лучи и как частицы из дальних концов Вселенной помогают изучать мир и делать его безопаснее для людей.
В 1912 году учёный Виктор Гесс отправился на воздушном шаре в небо и стал замерять ионизацию атмосферы с помощью электроскопа — прибора, который измеряет электрические заряды и может определить их примерную величину. До этого считалось, что радиацию излучает Земля, и Гесс хотел измерить уровни излучения. Оказалось, что чем выше он поднимался, тем больше было излучение.
Учёный сделал вывод, что излучение поступает из космоса и не доходит до поверхности земли. Он назвал небесную радиацию «высотным излучением». В 1936 году Гесс получил Нобелевскую премию по физике за это открытие.
По происхождению космические лучи делятся на несколько видов:
- солнечные;
- галактические, которые рождаются при взрывах сверхновых и из активных ядер галактик;
- лучи неизвестного происхождения.
Источник лучей определить трудно: дело в том, что они, как и солнечный свет, рассеиваются при встрече с геомагнитными полями Земли.
Как космические лучи помогают изучать мир
Когда такие частицы достигают Земли и сталкиваются с частицами атмосферы, они могут распадаться, в результате чего образуются новые частицы, например мюоны — нестабильные элементарные частицы с чрезвычайно высокой энергией и массой по сравнению с остальными. Исследование мюонов — это способ получить пользу от бомбардировки планеты космическими лучами, с их помощью мы многое узнаём о мире.
Учёные Карл Андерсон и Сет Неддермайер открыли мюоны в 1937 году. Через 20 лет другие учёные разработали два метода визуализации на основе этих частиц: мюонную томографию и мюонную рассеивающую радиографию.
Мюонная томография — технология для получения трёхмерных рентгеноподобных изображений. Вокруг объекта с разных сторон устанавливают детекторы. Они регистрируют пролетающие мюоны и получают объёмные изображения объектов, рассмотреть которые не получается другими способами. Например, так можно обнаружить сокровищницу в толще горных пород.
Мюонная рассеивающая радиография регистрирует рассеивание или поглощение мюонов, когда они проходят через вещество изучаемого объекта. Пучок мюонов, проходящий через вещество, можно представить как струю воды, которая наткнулась на камень — атом вещества. Чем больше величина углового разброса мюонов — то есть чем сильнее они «разбрызгиваются», — тем тяжелее атом вещества, которое отталкивает эти частицы. Так исследователи могут хотя бы приблизительно понять, какой материал находится на пути следования мюонов.
К главным плюсам визуализации на основе мюонов можно отнести:
- безопасность исследований;
- возможность мюонов проникать на несколько километров вглубь земных пород и толщи воды;
- отсутствие помех для исследователей, ведь во время полёта мюонов внутри вещества не образуются вторичные частицы.
Основной минус у мюонной визуализации только один — на квадратный сантиметр земной поверхности в среднем прилетает один мюон в минуту. Поэтому, чтобы получить контрастное изображение крупного объекта, приходится ждать несколько дней или даже недель.
Для определения мюонов есть детектор — «годоскоп», что переводится с греческого как «прибор, показывающий траекторию». Кроме этого, мюоны можно регистрировать счётчиком Гейгера.
Как учёные используют мюоны
Эта разновидность частиц позволяет людям и расширять познания о Вселенной и решать практические задачи. С помощью мюонов можно сделать многое.
Заглянуть внутрь земных объектов. Космические лучи активно используются в археологии и геологии: они позволили учёным заглянуть внутрь египетских пирамид и извергающегося вулкана.
В 1967 году Луис Альварес впервые использовал мюоны для изучения крупных природных и искусственных объектов — это была пирамида Хефрена в Гизе. Археологи предположили, что внутри пирамиды могли находиться неизвестные науке полости. Увы, результаты мюонной визуализации не оправдали их ожидания — полостей в пирамиде не оказалось. Зато в пирамиде Хеопса учёным с помощью мюонов удалось обнаружить новую скрытую камеру над галереей, ведущей в камеру фараона.
Мюонная визуализация полезна не только для археологов — с её помощью архитекторы и реставраторы могут определить материалы здания, подлежащего реконструкции. Так, итальянская исследовательница Елена Гриндирири в 2015 году предложила использовать эту технологию для изучения внутренней конструкции главного флорентийского собора Санта-Мария-дель-Фьоре, чтобы восстановить здание.
Мюонную визуализацию можно использовать для наблюдения за спящими вулканами. Например, отслеживать активность Везувия, который в 79 году н. э. уничтожил древнеримский город Помпеи, а в последний раз извергался в 1944 году.
Мюонная визуализация поможет вовремя заметить изменение структуры породы и понять, что вулкан «проснулся».
Кроме этого, можно наблюдать за извержением в реальном времени. Так произошло с островным вулканом Сацума-Иводзима в Тихом океане в 2013 году. Японское метеорологическое агентство заранее предупредило учёных, и с помощью мюонной томографии они расширили знания об извержении — отследили динамические магматические процессы внутри вулкана.
Исследовать отдалённые планеты. Детекторы мюонов можно устанавливать на роверы, которые отправятся исследовать Марс, либо на неподвижные модули, которые спустят на грунт.
На Красную планету изливается почти такой же поток космических лучей, как на Землю. Но атмосфера и давление на уровне поверхности там намного слабее земных — а значит, прилетающие из космоса частицы не расщепляются на новые на большой высоте. К счастью для исследователей, помимо вертикальных потоков космических лучей, есть ещё и горизонтальные потоки. Им приходится преодолевать более плотную атмосферу, и поэтому они хорошо расщепляются. Из-за этих особенностей мюонная топография не поможет изучить марсианскую геологию. Зато она позволит исследовать объекты, которые возвышаются над поверхностью грунта.
Прогнозировать возмущение магнитного поля Земли. Солнечная активность способна влиять на процессы на поверхности Земли — например формировать ураганы или создавать сбои в системах связи. При этом меняется количество и качество космических лучей, поступающих к нам от Солнца. Метод мюонной диагностики позволяет проанализировать состав и поведение лучей ещё до того, как они достигнут Земли, и принять меры.
В МИФИ разработали мюонный годоскоп «Ураган», мобильный и простой в обслуживании. Он позволяет отслеживать движение мюонов в режиме реального времени. Чтобы следить за атмосферой, гелиосферой и магнитосферой над всей территорией России, достаточно четырёх таких годоскопов. Этот инструмент прогнозирует ураганы точнее, чем спутники, авиация и компьютерное моделирование, а значит, он помогает избежать негативных последствий — жертв и разрушений.
Отслеживать контрабанду. Когда мюоны сталкиваются с веществами, содержащими атомы с большим зарядом ядра, угол их рассеивания больше обычного — так с помощью томографии можно выявить, есть ли в багаже уран или плутоний. Злоумышленники не смогут незаметно провезти опасный груз через границу.
Любопытно, что на эту разработку физиков вдохновил египетский опыт Альвареса. После 11 сентября 2001 года сотрудники лаборатории вспомнили о мюонах, когда задумались о новых путях предотвращения терроризма. В 2015 году учёные из Флоридского технологического института разработали устройство, которое может сканировать объекты размером до метра — а там и до грузовиков и морских контейнеров недалеко.
Искать полезные ископаемые и составлять карты недр. Физики из Шеффилдского университета разместили мюонные датчики в самой глубокой шахте Великобритании, Боулби. Так специалисты убедились, что эти частицы помогут строить трёхмерные карты подземных недр, а также определять наличие под землёй полезных ископаемых, в том числе нефти и газа.
Мюоны могут находить полости, подходящие для закачивания углекислоты. Загонять углекислый газ из атмосферы под землю — одна из возможных мер борьбы с изменением климата. Мюонные детекторы, установленные в шахтах резервуаров, позволят дёшево, точно и безопасно отслеживать процесс заполнения хранилищ.
Сверхточно определять время. У каждого мюона есть своя сигнатура — нечто вроде уникального «отпечатка пальца». Устройства, расположенные на площади в несколько квадратных километров, способны одновременно улавливать один и тот же мюон. Это позволяет синхронизировать часы с допуском менее 100 наносекунд. Для бытового применения такая точность не нужна — но она важна для науки, промышленности и технологий.
Сейчас для сверхточного определения времени используют атомные часы и GPS. Но это решение работает далеко не везде, особенно под землёй или под водой. Зона покрытия мюонных часов намного шире и начинается на высоте 15 км от Земли — это почти в два раза выше Эвереста. В отличие от GPS, это сигналы естественного происхождения, поэтому такую систему нельзя взломать. Кроме этого, мюонный детектор стоит около 100 долларов, что в несколько тысяч раз дешевле атомных часов.
Метод определения времени по космическим лучам предложили сотрудники Токийского университета. Её назвали космической синхронизацией времени, сокращённо CTS.
Развивать науку. Для проведения экспериментов с элементарными частицами учёным нужны ускорители. Самый знаменитый из них — Большой адронный коллайдер. Чем мощнее система, тем дороже она стоит и тем больше места занимает.
Космические лучи — бесплатная альтернатива рукотворным ускорителям. Они позволяют разгонять частицы до таких скоростей, с которыми не справится ни один коллайдер, способный уместиться на нашей компактной планете. Кроме того, мюоны используются для проверки и подтверждения существующих теорий, а также для поиска новых физических явлений и взаимодействий. Они помогают учёным лучше понять фундаментальные законы природы.
Ещё космические лучи исследуют с помощью Байкальского нейтринного телескопа, модули которого располагаются на дне озера на глубине от 700 до 1366 метров. С помощью мюонов они помогают исследовать потоки космических энергий и изучать происхождение нейтрино — частиц с крайне малой массой. Когда нейтрино проходят сквозь толщу воды, образуются мюоны. Телескоп отслеживает черенковское излучение — явление, когда свечение, вызванное заряженной частицей, опережает скорость распространения света в воде.
Возможно, мюоны приведут к открытию так называемой новой физики. Основная теоретическая конструкция современной физики — Стандартная модель, разработанная в 1970-х годах. Вот уже 50 лет учёные пытаются найти отклонения от неё, и одним из таких отклонений может стать аномальный магнитный момент мюона.
Удивительно, что даже космические лучи могут принести нам пользу, пусть многое ещё и на этапе разработки. Наверняка методы мюонной томографии и рассеивающей радиографии будут всё чаще применяться не только для науки, но и в реальной жизни. Уже сейчас они помогают предсказывать стихийные бедствия, находить полезные ископаемые, точно определять время и изучать историю — с таким потенциалом у них большое будущее.
