Annons

Avslöjande krockar. När den kosmiska strålningen når atmosfären bildas myoner. Dessa partiklar tränger igenom all typ av materia, men böjs av i olika vinklar beroende på vad den består av.

Bild: 
Johan Jarnestad

Kosmisk strålning låter oss se in i jordens gömda rum

Myoner är partiklar som produceras när den långväga kosmiska strålningen kolliderar med jordens atmosfär. De tränger lätt in i material dit ljus aldrig kan nå, och kan på så vis utnyttjas för att söka efter till exempel vapengömmor i stora lastcontainrar, eller oupptäckta kammare inuti pyramider.

Författare: 

Publicerad:

2016-04-18

Myoner används på många sätt som sondpartiklar – för att hitta hålrum i pyramider, undersöka magma i vulkaner, leta efter kärnvapenuran och tunga vapen. Med hjälp av myoner kunde tekniker lokalisera härdsmältan i den havererade reaktorn i Fukushima i Japan. Att avbilda en inre struktur hos objekt med hjälp av myoner, så kallad myontomografi, är förhållandevis billigt och enkelt. Dels därför att myonerna utgör en stabil och gratis källa av penetrerande partiklar, dels därför att de är relativt enkla att upptäcka.

Myonerna bildas när den kosmiska strålningen når jordens atmosfär. Den kosmiska strålningen består av laddade partiklar, mest protoner och heliumkärnor, som far genom kosmos med ljusets hastighet och bär på över en miljard gånger mer energi än de energirikaste partiklarna på jorden. Strålningen sänds i väg av stjärnor, galaxer och supernovor, men var den mer exakt kommer ifrån är fortfarande en gåta. Myonerna uppstår när protoner i den kosmiska strålningen reagerar med syre- och kvävekärnor i jordens atmosfär.

Resultatet blir en skur av myoner som ständigt faller ner på jorden – varje kvadratcentimeter på jordytan träffas i snitt av en myon i minuten. Myonerna har en relativt lång livstid – två mikrosekunder – och hinner därför nå jordytan även om de bildades på flera kilometers höjd.

Liksom sin 200 gånger lättare kusin, elektronen, är myonen en elektriskt laddad partikel. Men till skillnad från den sedan länge kända elektronen, upptäcktes myonen först 1936. Det var den svenskättade amerikanen Carl Anderson som råkade upptäcka den i sina undersökningar av den kosmiska strålningen. Upptäckten av myonen slog fysikerna med häpnad – var kom den ifrån egentligen? Så småningom passades den in i fysikens standardmodell för materiens grundläggande beståndsdelar.

När myonerna kommer fram till jordytan varierar deras energi och så även deras flöde, som avtar med energin. För att lämpa sig som sondpartiklar måste myonerna ha en energi högre än några gigaelektronvolt, GeV. Att myonerna passar så väl för att undersöka material beror på att de inte stoppas särskilt snabbt i materialen. Andra partiklar, som protoner, reagerar starkt och förlorar sin energi fort. Så en myon med energin 10 GeV kan passera ett 5 meter tjockt järnblock utan att stoppas, medan en proton med samma energi studsar i materialet redan efter 20 centimeter.

Laddade partiklar som passerar ett material sprids mot materialets atomkärnor och ändrar sin rörelseriktning. Hur stor förändringen blir beror på materialets atomnummer: ju högre atomnumret är, desto större blir spridningsvinkeln. För myoner som passerar en 10 centimeter tjock uranklump är spridningsvinkeln tio gånger större än om det hade varit vatten. Genom att noggrant mäta hur myonerna sprids när de passerar ett material kan man alltså bestämma vilket material de far igenom.


1) Myoner sprids mer i material med högre atomnummer. Riktningsändringen avslöjar vilket material myonerna passerat.

2) Myoner avslöjar dolda kammare i en pyramid. Om myonerna passerar hålrum kommer fler myoner fram till detektorn, eftersom det blir färre då som absorberas av pyramidens stenmaterial.

3) Smuggling av farliga material avslöjas. En lastbil eller en container placeras mellan två myondetektorer. Motorn och metallföremål ger en mindre spridning av myonerna medan kärnvapenuran ger stor spridning och därför kan lokaliseras.

4) Med myoner mäts magmaflöden inne i vulkanen. Detektorerna riktas mot vulkanens topp och mäter förändringar i mängden magma i vulkanhalsen. Har mer magma stigit upp kan det innebära en ökad risk för utbrott.

Bild: 
Johan Jarnestad

Den absolut vanligaste sondpartikeln är fotonen, ljuspartikeln som dagligen används för att ta röntgenbilder. Namnet kommer från Wilhelm Röntgen som den 23 januari 1896 avbildade sin hustrus hand, med en ring tydligt synlig på fingret. Fotot som han tog med sina strålar spreds snabbt över hela världen och bara fem år senare, 1901, tilldelades han det allra första Nobelpriset i fysik för upptäckten av röntgenstrålarna.

Den elektromagnetiska röntgenstrålningen har kortare våglängd än ljusets och röntgenfotonerna har därmed högre energi. Det som gör röntgenstrålningen så användbar är att fotonerna absorberas olika beroende på materialet: i ben är absorptionen hög, medan den är lägre i ligament och muskler. På röntgenbilden framträder ben eller tänder som mörka medan ligament är ljusa. Också i ämnen med höga atomnummer, som järn eller uran, är absorptionen hög. Så förutom i medicinska sammanhang används strålarna också vid säkerhetskontroller för att avslöja metallföremål; larmet går när exempelvis järn absorberar strålningen.

Jämfört med röntgenfotoner är myonerna en något ovanligare sorts sondpartiklar, och användningsområdena skiljer sig åt en hel del. Redan på 1950-talet användes myoner för att uppskatta tjockleken på ett berg ovanför en kraftstation i Australien. Men de mest kända experimenten startade på 1960-talet. Då föreslog Luis Alvarez, en framstående Berkeley-fysiker och Nobelpristagare, att myoner kunde användas för att undersöka pyramider.

Som bekant byggdes pyramiderna som begravningsplatser för Egyptens faraoner eller andra mäktiga personer. Ofta fick de vila inne i pyramiden, inne i hemliga kammare som stängdes igen med stora sandstensblock. På så sätt gömdes kropparna och de skatter som de hade begravts med undan risk för stöld.

Luis Alvarez och hans forskargrupp valde att med hjälp av myoner leta efter hemliga kammare i den över 4 000 år gamla Chefrenpyramiden, som är näst störst av de tre berömda pyramiderna i Giza. Den är 140 meter hög, och har en 215 meter lång bassida. Mitt på botten av pyramiden finns den så kallade Belzoni-kammaren. Där placerades 4 kvadratmeter stora myondetektorer. Dessa kunde läsa av hur många myoner som anlänt och från vilket håll de kom.

Hålrum någonstans längs myonernas väg skulle ge en högre intensitet av myoner i hålrummets riktning, därför att färre myoner skulle absorberats på vägen. Efter någon månads insamling av myondata kunde Alvarez och hans forskargrupp vara säkra på att det inte fanns några hålrum i den undersökta delen av pyramiden. Resultaten pekade på att pyramiden var helt massiv, utan några hålrum som kunde jämföras i storlek med den sedan tidigare kända Konungens kammare i Cheopspyramiden på cirka 300 kubikmeter.

Efter Louis Alvarez pionjärarbete på 1960-talet har den snabba utvecklingen av partikeldetektorer och dataanalys gjort breda applikationer av myontomografi möjliga. Här intill följer några exempel.

Du har just läst en artikel från tidskriften Forskning & Framsteg. Prenumerera här.

Kommentera:

Dela artikeln:

TIDNINGEN FÖR DIG SOM ÄR NYFIKEN PÅ ALLVAR
10 nummer 779 kr
2 nummer 99 kr
Du vet väl att du kan läsa Forskning & Framsteg i din läsplatta? Ladda ned appen från App Store eller Google Play. (Läsplatteutgåvan ingår i alla prenumerationer.)

Lägg till kommentar