Kosmisk strålning låter oss se in i jordens gömda rum

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.

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 följer några exempel.

Den 11 mars 2011 inträffade en jordbävning på havsbotten öster om Japan. Kärnkraftverket Fukushima Daiichi havererade. Tsunamin stoppade kylningen av reaktorerna, och man befarade att bränslestavarna av uran hade smält, vilket skulle innebära en härdsmälta. Det överhängande problemet för kraftbolaget var att säkerställa om det rörde sig om en härdsmälta och att lokalisera över 100 ton kärnbränsle. Den mycket höga radioaktiviteten gjorde det först omöjligt att använda robotar för att finna bränslet. I stället användes myontomografi och med uranets höga atomnummer blev det naturligt att använda spridningsmetoden. Man lyckades installera myondetektorer som klarade hög radioaktivitet, och i mars 2015 kunde man rapportera att en fullständig härdsmälta hade ägt rum i reaktor 1 och att bränslet läckt ut från reaktortanken. Undersökningarna fortsätter.

Tunga konventionella vapen, kanske särskilt kärnvapen med uran, utgör ett allvarligt hot i händerna på terrorister och andra kriminella. Visserligen är anrikat uran (med högre halt av den klyvbara isotopen 235-U) radioaktivt, men både utsänd gammastrålning och långsamma neutroner kan lätt skärmas av med ett blyskydd för gammastrålningen och ett plastskydd för neutronerna. Med myontomografi kan uran och större metallföremål lätt upptäckas. Utveckling pågår för att ytterligare förfina metoden, genom att kombinera mätningar av vinkelspridningen och energiförluster.

I dag finns system som med användning av myontomografi kan undersöka en 12 meter lång container på en minut. Dock är det ännu inte många av de totalt 20–30 miljoner containrar som årligen passerar en hamn eller en gräns som undersöks.

Vulkanutbrott kan få katastrofala följder. Kunskap om förändringar i vulkanens inre struktur är av stor betydelse för att försöka förutspå utbrott. Seismologiska metoder har använts för att undersöka magman men ger ofta en upplösning begränsad till några hundra meter. Med metoderna klarar man alltså inte att se detaljerade förändringar i vulkanhalsen. På 1990-talet började myontomografi användas för att studera vulkaner i Japan. Numera pågår ett flertal liknande projekt runt om i världen. I Europa används myontomografi bland annat på Vesuvius utanför Neapel i södra Italien, där omkring 600 000 människor är bosatta i närområdet, och på en av de yngsta vulkanerna, Puy de Dôme, i vulkankedjan Chaîne de Puys i franska Centralmassivet.