Фізики знайшли у Великій піраміді загадкову структуру: яким чином?

Фізики частинок знайшли велику, приховану порожнечу в піраміді Хуфу, найбільшій піраміді в Гізі, Єгипет, побудованої між 2600 і 2500 роками до нашої ери. Відкриття, про яке було написано в Nature, було зроблено з використанням візуалізації на основі космічних променів і може допомогти вченим з'ясувати, як насправді була побудована загадкова піраміда.

В основі технології лежить відстеження частинок, званих мюонами. Вони дуже схожі на електрони — з таким же зарядом і квантовим властивістю під назвою спін — але в 207 разів важче. Це розходження у масі дуже важливо, оскільки визначає, як ці частинки взаємодіють, коли стикаються з матерією.

Високоенергетичні електрони випускають електромагнітне випромінювання, наприклад рентгенівські промені, коли стикаються з твердою речовиною — в результаті чого втрачають енергію і застрягає в ньому. Оскільки маса мюона набагато вище, викид електромагнітного випромінювання пригнічується 207 разів порівняно з електронами. Тому мюоны не так швидко зупиняються при зіткненні з якою-небудь речовиною — вони відмінно пронизують його наскрізь.

Мюоны зазвичай народжуються в космічних променях. Верхня атмосфера Землі постійно бомбардируется зарядженими частинками від сонця та інших джерел за межами нашої Сонячної системи. Саме останні забезпечують високоенергетичні космічні промені, які можуть генерувати мюоны та інші частинки в ланцюжку реакцій.

Оскільки мюоны мають відносно великий термін життя та досить стабільні, вони являють собою найбільш численні частки в космічних променях, видні на рівні землі. І хоча на шляху втрачається багато енергії, іноді ми спостерігаємо і мюоны з дуже високим показником її.

Мюоны на службі науки

Виявити ці частинки досить легко. Вони залишають тонкий слід іонізації» на своєму шляху — тобто вибивають електрони з атомів, залишаючи атоми зарядженими. Це дуже зручно: вчені можуть використовувати кілька детекторів, щоб простежити шлях мюона до самого джерела його походження. Більш того, якщо на шляху мюона буде багато речовини, він може втратити всю енергію, застрягти в речовині і розпастися (розділитися на інші частинки) до безпосереднього виявлення.

Ці властивості роблять мюоны відмінними кандидатами для зйомки об'єктів, які, як правило, непроникні або непрозорі для звичних нам методів спостереження. Подібно до того, як кістки залишають тінь на фотографічній плівці, підданої впливу рентгенівських променів, важкий і щільний об'єкт з великим атомним числом створить тінь, або зменшить кількість мюонів, здатних проходити через цей об'єкт.

Вперше мюоны були використані таким чином в 1955 році, коли Е. П. Джордж виміряв вскрышу гірських порід над тунелем, порівнявши потік мюонів зовні і всередині нього. Перша відома спроба зробити «мюограмму» відбулася в 1970 році, коли Луїс Альварес шукав розширені каверни у другій піраміди Гізи, але не знайшов жодного.

За останні десять років мюонна томографія знайшла друге дихання. В 2007 році японці зробили мюограмму кратера вулкана Асама, щоб дослідити його внутрішню структуру.

Мюонні скани також використовувалися для дослідження решток реактора на Фукусімі.

Досліджуючи Хуфу

Найпростіший спосіб вивчити великий об'єкт на зразок піраміди за допомогою мюонів — поглянути на відмінності в потоці мюонів, через нього проходить. Тверда піраміда залишить тінь або зменшить число мюонів, через неї проходять. Якщо в піраміді буде велика порожнеча, мюонний потік збільшиться по ходу цієї порожнечі. Чим більше різниця між «твердим» і «порожнім», тим простіше її знайти.

Все, що вам потрібно, це сісти де-небудь поруч, поглянути трохи вгору від горизонту до піраміди і порахувати число мюонів, що надходять з усіх сторін. Оскільки космічні мюоны повинні бути енергійними, щоб пройти через цілу піраміду, і оскільки наші «очі» відносно невеликі, нам доведеться посидіти і порахувати деякий час, зазвичай кілька місяців, щоб нарахувати досить мюонів. Точно так само, як ми за допомогою двох очей складаємо тривимірну картину світу в своїй голові, нам знадобиться два окремих детектора-«очі», щоб отримати тривимірну картинку порожнечі всередині піраміди.

Цікаве в підході цієї команди те, що вони вибрали три різні технології детекторів для дослідження піраміди. Перша з них трохи старомодна, але пропонує більш високий дозвіл одержуваного зображення: фотографічні пластини, які почорніли від іонізації. Їх залишили на кілька місяців всередині однієї з відомих камер піраміди і проаналізували в Японії після збору даних.

Для другого методу використовувалися пластикові «сцинтилятори», які виробляють світлову спалах при проходженні зарядженої частинки через них. Ці типи детекторів використовуються в декількох сучасних нейтринних експериментах.

Нарешті, камери, заповнені газом, в яких можна контролювати іонізацію, викликану зарядженими частинками, що використовувалися для того, щоб просто переглянути знову виявлену порожнечу.

Електронний сигнал цих детекторів передавався безпосередньо в Париж по 3G. Звичайно, піраміда з трьома відомими порожнинами і гігантської порожній галереєю всередині — досить складний об'єкт для мюограммы (вона показує тільки біле і чорне). Тому найчастіше ці зображення необхідно порівнювати зкомп'ютерним моделюванням космічних мюонів і вивченої пірамідою, паралельно. Ретельний аналіз знімків всіх трьох детекторів та комп'ютерної моделі виявив 30-метрову порожнечу, яка залишалася невідомою досі, Великої піраміди Гізи. Вражаючий успіх для нового інструментарію.

Тепер цей метод може допомогти нам вивчити детальну форму цієї порожнечі. Хоча ми нічого не знаємо про роль цієї структури, дослідницькі проекти з залученням вчених з інших дисциплін можуть брати за основу нове дослідження. Приємно спостерігати, як ультрасучасна фізика частинок допомагає нам проливати світло на найдавнішу людську культуру.