تصویربرداری میونی با قوی ترین لیزر جهان در رومانی

تصور کنید پرتویی آن‌قدر نیرومند باشد که بتواند ذراتی بسازد که بی‌دردسر از نزدیک به دو متر بتن مسلح عبور کنند و سایه‌ای از اشیای پنهان در سوی دیگر به جا بگذارند. این دقیقا همان چیزی است که پژوهشگران مرکز الی-ان‌پی در رومانی به‌تازگی نشان داده‌اند: نخستین تصویر در نوع خود که با استفاده از میون‌های تولیدشده توسط قدرتمندترین لیزر جهان ساخته شده است.

میون‌ها چگونه به دوربین تبدیل شدند

میون‌ها خویشاوندان الکترون هستند، سنگین‌تر و کم‌عمرترند و معمولا زمانی تولید می‌شوند که پرتوهای کیهانی به جو زمین برخورد می‌کنند. آن‌ها مانند گلوله‌هایی بسیار ریز با قدرت نفوذ بالا رفتار می‌کنند: برخی از آن‌ها از سنگ‌ها و فلزات متراکمی عبور می‌کنند که حتی پرتوهای ایکس قوی نیز توان گذر از آن‌ها را ندارند. دانشمندان پیش‌تر از بارش طبیعی میون‌ها بهره گرفته‌اند و با آن‌ها هرم‌های مصر را نقشه‌برداری کرده و به درون تونل‌های معدن نگاه انداخته‌اند. اما میون‌های طبیعی با زاویه‌های محدود و شار پایین به زمین می‌رسند، موضوعی که تصویربرداری سریع و جهت‌دار را دشوار می‌کند.

برای عبور از این محدودیت، گروه‌های پژوهشی به سراغ تولید مصنوعی رفته‌اند. یک لیزر پرشدت را به هدفی شلیک کنید، الکترون‌ها را تا انرژی‌های بسیار بالا شتاب دهید و بگذارید این الکترون‌ها به یک مبدل برخورد کنند: در نتیجه، پیون‌ها و سپس میون‌ها پدید می‌آیند. سال گذشته، همکاری‌های علمی در چین، ایالات متحده و بریتانیا روش پایه تولید میون با لیزر را اثبات کرد. آزمایش الی-ان‌پی گام بعدی را برداشته است، زیرا با استفاده از یک لیزر ۱۰ پتاواتی، پرتویی آن‌قدر قوی تولید کرده که بتواند از پشت یک مانع بتنی با ضخامت تقریبا دو متر تصویر بگیرد.

درون آزمایش رومانی

تیم الی-ان‌پی یک پالس ۱۰ پتاواتی را متمرکز کرد تا الکترون‌ها را شتاب دهد و سپس آن‌ها را به درون یک مبدل سربی هدایت کرد تا آبشاری از ذرات ثانویه شکل بگیرد. یک مجموعه فیلتر ساخته‌شده از ورقه‌های پلی‌اتیلن و بلوک‌های پارافین بسیاری از ذرات باردار ناخواسته را حذف کرد و جریانی نسبتا خالص از میون‌ها بر جای گذاشت. سپس این میون‌ها از یک دیوار بتنی ۱٫۸ متری عبور کردند و به آشکارسازهایی برخوردند که درون یک ون در سوی دیگر دیوار چیده شده بودند. آنچه آشکارسازها ثبت کردند، یک عکس با وضوح بسیار بالا نبود، بلکه یک سایه‌نگاری میونی روشن بود: بلوک‌های سربی قرارگرفته در پشت دیوار، در مقایسه با حالت پایه خالی، سایه‌هایی قابل تشخیص ایجاد کردند.

تصاویر اولیه دانه‌دانه هستند. آن‌ها وضوح تیزبینانه دوربین‌های نوری را ندارند. با این حال، نتیجه اهمیت زیادی دارد. این آزمایش راهی کنترل‌شده برای تولید میون در زمان دلخواه و استفاده از آن‌ها برای تصویربرداری هدفمند نشان می‌دهد، نه اینکه منتظر بارش کند و تصادفی میون‌های کیهانی بمانیم.

آزمایش‌های پیشین نیز امکان‌های مشابهی را نشان داده‌اند. در یک آزمون قدیمی‌تر، وزنه‌های سربی درون یک کامیون تصویربرداری شدند، اما پژوهشگران نتوانستند با اطمینان مشخص کنند چه تعداد از ذرات ثبت‌شده واقعا میون بوده‌اند؛ به همین دلیل، عنوان نخستین تصویر با میون مصنوعی محل بحث باقی ماند. کار الی-ان‌پی با ترکیب یک منبع لیزری پرتوان، فیلترهای فیزیکی و آرایش آشکارساز شفاف، این سابقه را تقویت می‌کند.

پیامدها و گام‌های بعدی

دوربین میونی مبتنی بر لیزر به چه کار می‌آید؟ کاربرد آن را می‌توان در بازرسی غیرمخرب جایی تصور کرد که ابزارهای سنتی ناکارآمدند: اسکن بتن و سنگ ضخیم برای اکتشاف معدن، بررسی سلامت پی‌های مدفون یا هسته سازه‌های سنگی تاریخی، و پایش محموله‌های متراکم یا بدنه کشتی‌ها بدون ورود تخریبی. در هوافضا و امنیت، مهندسان می‌توانند از چنین تصویربرداری‌ای برای راستی‌آزمایی سازه‌های فلزی داخلی در مراحل موشک یا کشتی‌های فله‌بر استفاده کنند، به‌ویژه در جاهایی که دسترسی محدود است.

چالش‌ها همچنان باقی‌اند. تولید میون باید کارآمدتر و جمع‌وجورتر شود. سامانه‌های آشکارساز به خوانش سریع‌تر و وضوح بهتر نیاز دارند. تیم پژوهشی تاکید می‌کند که این‌ها نمایش‌های اولیه‌اند، نه سامانه‌های آماده برای استفاده میدانی. با این حال، آن‌ها آینده‌ای را تصور می‌کنند که در آن ابزاری قابل حمل با الهام از چیدمان آزمایشگاهی ساخته شود؛ مجموعه‌ای کوچک‌تر از شتاب‌دهنده و آشکارساز که بتوان آن را برای بازرسی‌های هدفمند به کار گرفت.

پیش‌نویس مقاله‌ای که این آزمایش را توصیف می‌کند در آرکایو در دسترس است و جامعه علمی روند بلوغ این فناوری را با دقت دنبال خواهد کرد. در حال حاضر، نتیجه الی-ان‌پی یک اثبات مفهوم مهم به شمار می‌رود: تولید کنترل‌شده میون می‌تواند کاری را انجام دهد که میون‌های طبیعی هم‌اکنون انجام می‌دهند، اما این بار در زمان دلخواه و با زاویه‌ها و سرعت‌های بالقوه تازه. همین کنترل می‌تواند شیوه نگاه ما به متراکم‌ترین بخش‌های جهان اطرافمان را دگرگون کند.