Космический метод: как самодельный мюонный детектор помог найти шахту

В середине 1960-х годов лауреат Нобелевской премии по физике Луис Альварес предложил использовать мюоны — высокопроникающие субатомные частицы, образующиеся при столкновении космических лучей с атмосферой Земли, — для поиска скрытых камер внутри одной из пирамид Гизы.

Эти частицы являются более тяжёлыми аналогами электронов и движутся почти со скоростью света. Они способны проходить через значительные толщины твёрдых пород, включая известняк и гранит, из которых построены пирамиды. Однако часть мюонов поглощается плотным материалом, что делает возможным их применение для томографического анализа внутренних структур. В 1968 году Альварес и его коллеги начали измерения мюонов из камеры, расположенной в основании пирамиды Хафра.

Скрытых помещений обнаружить не удалось, но был подтверждён принцип работы метода, который впоследствии получил название мюонной томографии. Позже технология использовалась для поиска скрытых туннелей, изучения магматических камер вулканов и обследования разрушенных реакторов на АЭС «Фукусима». В 2017 году этот метод позволил обнаружить неизвестную ранее камеру в пирамиде Хеопса, хотя Альварес исследовал пирамиду Хафра.

Современные технологии позволяют проводить подобные эксперименты не только учёным, но и любителям.

Существуют хорошо задокументированные конструкции недорогих детекторов мюонов, например, проект Cosmic Watch от MIT, но автор исследования выбрал более простой и бюджетный вариант. Он приобрёл два комплекта счётчиков Гейгера по 23 доллара каждый. Несмотря на слово «набор» в названии, плата была полностью собрана, за исключением ключевого компонента — трубки Гейгера-Мюллера (ГМ-трубки), фиксирующей ионизирующее излучение. Хотя документация отсутствовала, удалось найти источник с инструкцией по настройке анодного напряжения. В качестве чувствительного элемента использовались российские ГМ-трубки SBM-20. Их удалось приобрести у поставщика в США за 49 долларов

Самодельный мюонный детектор

Два комплекта потребовались, поскольку ГМ-трубки реагируют не только на мюоны, но и на ионизирующие частицы, испускаемые радиоактивными элементами окружающей среды, например продуктами распада радона в воздухе.

Разделить потоки частиц оказалось несложно.

Для отделения высокоэнергетических космических мюонов от других, менее энергичных частиц используется метод совпадения (coincidence method). Детектор фиксирует только те события, когда обе трубки срабатывают практически одновременно, что означает, что через обе прошла одна и та же частица. Расстояние между трубками составило 25 миллиметров, что делает маловероятным, что частица от радиоактивного распада будет достаточно энергичной, чтобы пройти через обе трубки. Вероятность снизилась ещё больше благодаря слою свинца от рыболовных грузил, размещённому между трубками.

Для превращения пары счётчиков Гейгера в детектор совпадений выходные сигналы обеих плат были соединены с микроконтроллером Arduino Nano, который регистрировал событие только в случае, если обе трубки фиксировали частицу в пределах 1 миллисекунды. Это означало, что детектор мог регистрировать только мюоны с траекторией, примерно совпадающей с плоскостью ГМ-трубок, то есть проходящие сквозь обе трубки.

Проверить, что результаты действительно отражают поток космических мюонов, было несложно: достаточно было измерить частоту срабатываний детектора в зависимости от угла его наклона относительно вертикали. Известно, что поток мюонов, приходящих вертикально сверху, больше, чем поток частиц, движущихся горизонтально. Между этими крайними положениями поток должен подчиняться закону косинуса в квадрате. Для проверки этого детектор фиксировал данные не менее 12 часов для каждого положения.

Результаты оказались ожидаемыми: в горизонтальном положении детектор фиксировал менее 10% мюонов от числа, регистрируемого при вертикальной ориентации, что подтверждало закономерное снижение потока.

Наличие ненулевых мюонных счетов в горизонтальном положении объясняется угловой разрешающей способностью детектора (±22°) при расстоянии 2,5 сантиметра между двумя трубками диаметром 1 см. Даже при горизонтальной ориентации детектор регистрировал мюоны, прилетающие под углом до 22 градусов к горизонту.

После успешной проверки работоспособности прибора его использовали для изучения подземных объектов. Эксперимент провели в шахте Reed Gold Mine в Северной Каролине — первом коммерческом золотом руднике в США. В течение двух с половиной часов было проведено пять 30-минутных измерений. Зафиксировано закономерное снижение потока мюонов с увеличением толщины горной породы над тоннелем. В одном из мест отмечено увеличение числа зарегистрированных мюонов, что свидетельствовало о наличии вертикальной шахты — отсутствие камня над этим участком позволило большему числу мюонов достичь поверхности измерения.

Такие измерения требуют значительного времени для накопления достаточного количества данных и получения статистически точных результатов. Однако этот метод даёт возможность изучать скрытые структуры, используя энергию космоса даже под землёй.