緲子成像：宇宙射線如何幫助我們看到金字塔和火山的內部(20230414)
內窺鏡拍攝的大金字塔內部隱藏的走廊。於2016年首次通過緲子影像muography發現這條走廊。(照片：埃及旅遊和文物部)
上個月，埃及官員首次公開了位於開羅郊區具有4500年歷史吉薩大金字塔內隱藏走廊的影像。這條長9米、寬2米的神秘走廊於2016 年首次通過緲子成像(Muon Imaging)而被發現。緲子成像是一種非侵入性技術，它使用稱為緲子的宇宙射線粒子來觀察固體物的內部，檢測其密度和成分的變化，從而讓科學家能夠建立其內部的三維模型。 IAEA最近的一份出版物「緲子成像」，重點介紹如何將緲子用作非破壞性檢測工具，使專家能夠從外部對大型結構內部的物體製作準確的三維圖像。
什麼是緲子？
我們的宇宙充滿了無數種宇宙射線，它們以接近光速掃過太空。 它們由太陽發射或來自遙遠星系中的超新星爆炸。每一秒鐘地球都會受到這些由數兆個亞原子粒子組成射線的轟擊。當宇宙射線與我們的大氣層碰撞時，其中一些會受行星的磁場而偏轉，而另一些則會到達地球上的人群，但是不會對我們造成任何傷害。 當射線穿過大氣層時，它們會發生一系列反應，從而產生大量如陣雨般新的亞原子粒子，其中就含有緲子。
宇宙射線撞擊地球大氣層，產生一系列新粒子，其中包括緲子。(圖片：A. Vlasov/IAEA)
緲子令人費解，因為它們的某些特性與粒子物理學的主要理論(稱為標準模型)的預測有細微但顯著的偏差。 然而，科學家們已經找到了一種方法，可以使用類似於傳統射線照相術的神秘粒子，深入觀察無法進行物理接觸的大型物體，例如古建築、火山甚至核反應器。
“儘管我們看不到它們，但緲子在地球上無處不在：它們從各個角度以接近光速不斷地穿過我們和我們周圍的物體，”IAEA的核子物理學家 Ian Swainson 說。“它們對人完全無害，但可以穿透數百米的岩石，針對材料的成分和尺寸提供了一種多功能的方法，否則我們將看不到這些內容。”
“緲子成像在某種意義上像X射線或加馬射線照相術一樣的功能，它在醫學上用於掃描身體，在工業上用於評估結構和組件的完整性和安全性，”Andrea Giammanco補充說，他是粒子物理學家和新出版物的其中一位作者。“但是，雖然這些類型的射線照相術依賴於粒子加速器或輻射源產生的高強度人工輻射源，但緲子射線照相術是基於天然來自外太空的宇宙射線。”
有兩種類型的緲子成像：緲子成像和緲子散射層析成像(MST)。
緲子影像需要在結構下方或側面放置一個偵檢器，以捕獲通過它的 緲子。材料密度越大，吸收的緲子就越多。一些能夠穿過結構的粒子將被對面的偵檢器捕獲。在生成的圖像中，緲子容易通過的空白區域會被標記為亮點，而密度較高的材料會更暗些。
緲子影像是依賴材料對緲子的吸收，而緲子散射層析成像(MST) 則是基於緲子的散射方式。例如，位於汽車或貨櫃兩側各安裝一個偵檢器，專家可以跟踪粒子如何在具有多質子的高密度材料中偏轉，從而可以查看車輛或貨櫃內部而無需進行實體之檢查。
緲子影像(圖片：A. Vlasov/IAEA)
IAEA的新出版物詳細描述了緲子成像的主要技術和所使用不同類型的偵檢器。它還涵蓋了廣泛的應用，包括檢查現代和古代的建築物、火山和工業結構以及加強核子保安和保防。 “代表了緲子成像領域的全面概述，該出版物可以幫助工業界和學術界的讀者，使能更深入地了解這個發展中的領域，”Swainson說。
自1950年代首次進行實驗以來，緲子成像已應用於世界各地的各種物體。緲子影像目前被用於評估意大利那不勒斯附近維蘇威火山的內部結構，該火山在西元79年悲劇性地摧毀了古羅馬的龐貝城和其他幾個鄉村。研究人員正致力於使用緲子偵檢器以顯示維蘇威火山的內部過程，以試圖改進他們的模型，這對於預測任何潛在的噴發及其過程至關重要，並可制定降低當地人們風險的措施。自1944年最後一次噴發以來，這座火山一直處於休眠狀態。
同樣，緲子成像已被用於掃描中國西安的古城牆、席捲日本的旋風、阿爾卑斯山的冰川以及最近法國一座正在除役的核反應器。
IAE計劃明年舉辦主題為“緲子層析成像：從基本原理到實務之使用和應用”的講習班。 與會者將討論將該技術於實際應用的各種模式、所用偵檢器的特性、緲子軌道的算法重建以及數據分析和圖像重建等。