Umjetni muonski snop vidi kroz dva metra betona

Muoni se neprestano stvaraju kako se kozmičke zrake sudaraju s molekulama u gornjim slojevima Zemljine atmosfere. Zbog svoje sposobnosti prodiranja duboko u guste, čvrste materijale, ovi kozmički mioni se često koriste za snimanje unutrašnjosti objekata koji su inače skriveni od pogleda. Međutim, protok ovih prirodnih čestica je previše spor da bi tehnika postala i brza i pouzdana u praktičnim postavkama.

Kroz novo istraživanje, tim koji uključuje Madalinu Dobre s Nacionalnog instituta za istraživanje i razvoj fizike i nuklearnog inženjerstva Horia Hulubei (IFIN-HH) u Rumunjskoj, prvi je put stvorio slike koristeći umjetni muonski snop.

Muoni imaju mnogo sličnosti s elektronima, ali s masama oko 200 puta većim, gube daleko manje energije dok putuju kroz materiju, što im omogućuje prolazak kroz mnogo metara stijene ili metala prije nego što se apsorbiraju. Mjerenjem koliko muona izlazi na drugu stranu objekta i kako su im putanje skrenute, istraživači mogu mapirati njegovu unutarnju strukturu.

Nazvana muografija, ova tehnika već je postigla izvanredne podvige pa je primjerice otkrila skrivenu komoru unutar Velike piramide u Gizi 2023. godine. No, budući da samo oko jedan kozmički muon prelazi svaki kvadratni centimetar svake sekunde, svako skeniranje može trajati mjesecima.

Proces bi se mogao enormno ubrzati umjetnim muonskim snopovima, ali do sada se pokazalo teškim proizvesti muone s dovoljno energije za snimanje, a istovremeno ih odvojiti od ostalih čestica stvorenih uz njih.

U svojoj studiji, tim je koristio ultra-snažan laser u objektu Extreme Light Infrastructure—Nuclear Physics (ELI-NP) u Rumunjskoj. Počeli su ispaljivanjem lasera u plin, ubrzavajući elektrone do izuzetno visokih energija. Kada bi ti elektroni udarili u čvrstu metu, proizveli bi bljeskove svjetlosti, koji bi potom stvorili parove muona.

Kako bi blokirali druge neželjene čestice, istraživači su poslali snop kroz veliki filter napravljen od plastike i parafina, a zatim kroz betonski zid debljine 2 metra. Prijenosni detektori postavljeni u kombiju, do 42 metra od izvora, zatim su zabilježili sjenu koju je bacala hrpa olovnih cigli.

Oblik ove sjene gotovo je odgovarao poznatoj veličini i položaju cigli. Usporedbom svojih mjerenja s detaljnim računalnim simulacijama, tim je također potvrdio da je oko 90% detektiranih čestica muonsko, s energijama koje su u skladu s njihovim laserski pokretanim izvorom. Zbog toga je novi rezultat prva slika kojom dominiraju umjetni, laserski pokretani muoni.

Zasad je rezolucija slike još uvijek niska i bit će potrebna daljnja poboljšanja detektora i lasera prije nego što tehnika može skenirati složenije objekte. No, ovi se izazovi mogu prevladati, a istraživači su uvjereni da bi se muonske zrake na zahtjev s vremenom mogle primijeniti u stvarnim uvjetima.

S mogućnošću brze i na zahtjev proizvodnje muonskih snopova, uskoro bi mogli pomoći inženjerima u inspekciji stare infrastrukture ili omogućiti graničnim službenicima otkrivanje nuklearnih materijala skrivenih unutar teških oklopa.