Космические лучи помогут обнаружить радиоактивные вещества

Группа ученых из Канады придумала интересный способ, позволяющий определить, есть ли в закрытом контейнере радиоактивные вещества. Для этого они предлагают использовать частицы космических лучей мюоны. Они могут, проходя через любое вещество, изменять траекторию полета. А анализ этих данных позволяет определить, из каких именно атомов оно состоит.

Фото:

Напомним: мюонами называются элементарные частицы, которые ученые считают близкой родней электронов. Они во многом похожи — и заряд у обоих отрицательный, и спин равен &frac12. Вот только масса мюона куда больше — он тяжелее электрона в 270 раз (поэтому иногда его называют "тяжелым электроном"). Из-за такой тяжести мюон весьма нестабилен — он живет недолго и распадается на электрон, электронное антинейтрино и мюонное нейтрино, однако существуют также более редкие типы распада, когда возникает дополнительный фотон или электрон-позитронная пара.

Большой вес и связанная с ним нестабильность приводит к тому, что мюоны не могут входить в состав атомов (хотя теоретически возможен атом из антимюона, имеющего положительный заряд, в качестве ядра и электрона). Обычно они появляются в результате распада других, более тяжелых и неустойчивых частиц. Так, впервые мюоны были найдены в космических лучах, проходящих сквозь верхние слои земной атмосферы.

Читайте дальше: Ученые научились ловить уран в океане

Дальнейшие исследования показали, что они образуются при распаде пионов, что создаются в верхних слоях атмосферы первичными космическими лучами и имеют очень короткое время распада — несколько наносекунд. Впрочем, и сам мюон после этого существует недолго — где-то 2,2 микросекунды. Впрочем, этого оказывается вполне достаточно для того, чтобы зафиксировать частицу, несущуюся со скоростью, близкой к таковой света, при помощи специального детектора.

Именно таким образом и было выяснено, что мюоны бомбардируют поверхность Земли с плотностью примерно 1 частица на 1 квадратный сантиметр в минуту. То есть редкими частицами их не назовешь, и в связи с этим ученые уже давно подумывали над тем, как бы приспособить их к "делу". Учтя способность мюонов легко и глубоко проникать в плотное вещество, такое, как камень, в 1960-х Нобелевский лауреат Луис Альварес поставил один любопытный эксперимент.

Он установил детекторы мюонов в открытых помещениях пирамиды Хефрена и стал фиксировать частоту появления частиц с разных направлений. В итоге эти космические странники сыграли роль рентгеновских лучей и "просветили" каменную структуру. Таким способом в давно и хорошо исследованной пирамиде были обнаружены скрытые помещения. Правда, более никаких сюрпризов ученым не досталось — хоть к 1969 году Альваресу с коллегами удалось обследовать около 20 процентов объема пирамиды и найти много скрытых камер, все они оказались пустыми.

Тем не менее, опыты Альвареса далиположительный результат — после них физики начали изучать особенности отклонения мюонов от траектории полета при прохождении через различные препятствия. В итоге выяснилось, что особенно сильно эти частицы отклоняются после столкновения с тяжелыми элементами — такими, как уран и плутоний. Так родилась идея использовать анализ траектории мюонов для обнаружения этих элементов. — например, при поиске скрытых запасов и грузов ядерного топлива во время пограничного контроля контейнерных перевозок.

До последнего времени эту методику рассматривали как чисто теоретическую. Дело в том, что количество полезной информации, которую можно получить с них, невелико, поскольку мюон фиксировали лишь на выходе — уже после того, как он преодолеет препятствие. Из-за этого сказать о том, насколько сильно отклонилась его траектория от исходной и произошло ли это именно при прохождении через вещество, было сложно.

Впрочем, недавно эта проблема, похоже, была решена. Исследователи из канадской корпорации AECL (Atomic Energy of Canada Limited) предложили способ, при помощи которого можно получать от мюонов трехмерные изображения, подходящие для обследования не только грузовых контейнеров, но и целых ядерных могильников. Сама идея состоит в следующем: нужно фиксировать траекторию мюонов и на входе, и на выходе из обследуемого предмета.

Правда, для этого потребуется уже не один, а целых два детектора. Это делает технологию достаточно дорогой — ведь такие приборы изготовить весьма непросто. Однако затраты того стоят — если у ученых будут данные о входных и выходных траекториях частиц, то можно будет локализовать точку отклонения каждого мюона. А она, в свою очередь, даст сведения о местоположении того тяжелого атома, при ударе о который мюон изменил направление своего полета. В итоге вся эта информация сразу же поступит в компьютер, который, обработав ее, создаст трехмерное изображение скопления тяжелых частиц в обследуемом контейнере.

Сейчас исследователи работают над воплощением своей идеи в реальность — они проектируют прибор, который позволит проводить подобные измерения. Конечно, как уже было сказано, он будет весьма недешев. Однако в данном случае речь идет о контроле за контрабандными перевозками радиоактивных веществ, то есть, по сути, о безопасности государства. На ней же экономить нельзя.

Читайте также: Нейтринный "рентген" поможет геологам

Кроме того, авторы идеи полагают, что их устройство может найти применение в таком деле, как контроль за ситуацией в могильниках радиоактивных отходов. Мюонный "рентген" сможет рассказать, как там идут дела, существует ли опасность для территорий, окружающих данный объект. Ну и, конечно же, данным прибором по прежнему будут пользоваться археологи…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"