免费供应的宇宙粒子揭开那些深埋的隐秘
使用X射线来探查人体内部的结构是医学上的一大飞跃，通过检测X射线穿透人体后被吸收程度的不同产生不同的影像，医生可以据此判断病情。但是如果研究对象换成一座火山，X射线就无能为力了——没有这么大的射线源，X射线也无法穿透几百上千米厚的土壤和岩石，类似的超声波、探地雷达也只能探测很小的范围，但也许另一种射线可以做到。
来自太空的质子和其他高能粒子撞击地球大气层会产生大量的其他粒子，其中就包括μ子。μ子带负电荷，就像电子一样。它们的反粒子反μ子也降落在地球上，带有正电荷。μ子探测器捕捉带负电荷和带正电荷品种的轨迹。当这些粒子穿过不同材料时，它们会以各种方式失去能量，由于能量损失，μ子被减速甚至被挡在某个地方。材料越致密，进入位于材料下方或侧面的检测器的μ子就越少。因此如果图像是暗淡的，证明它穿过的物体内部是致密的，反之，如果图像出现明亮的区域，则说明有不为人知的内部空洞存在——μ子没有损失太多能量。
作为用来生成大型物体内部图像的粒子源，μ子非常合适：首先，μ子以不同的角度不断地从大气层中倾泻而下，在地球表面无处不在。只要使用适当的设备，就可以检测到它，而且这种粒子是免费同时24小时不间断供应的。
第二，μ子的质量大约是电子的207倍，额外的体积意味着μ子可以穿透数百米厚的岩石和土壤。只要人们在探测对象下方放置接收器，巨大的火山和金字塔下面都可以检测到这些穿透过来的μ子。这种技术被称为 Muography 。
Muography 的首次使用是在1960年代，当时物理学家 Luis Alvarez 及其同事在吉萨的哈夫拉金字塔中寻找隐藏的空间，探测器没有发现任何意想不到的房间，但证明该技术是可行的。随着技术的不断进步，当时体积巨大足以装满整个房间的μ子探测器已经变得很小了：看起来就像一排支起来的地砖。
安装在大金字塔中皇后室旁边的一个小壁龛中的核乳胶探测器。
图源：名古屋大学
2017年，日本名古屋大学的粒子物理学家 Kunihiro Morishima 使用这种设备，以及附近的闪烁体探测器和金字塔外的气体探测器，在吉萨金字塔内部发现了一个之前不为人知的空洞。开放空间可能包括一个或多个房间，也许是走廊。自从发现这个空洞以来，Morishima 和同事一直在进行进一步的测量，以便更好地勾勒出它的细节。该团队在金字塔的 20 个位置放置了核乳胶探测器，并在几个不同的位置放置了气体探测器。使用他们的新仪器阵列，研究人员确定这个空隙有超过 40 米长，但是它存在的目的仍然未知。
星号显示了探测器所处的位置，右上方模糊的白色区域是空洞所在之处。
图源：名古屋大学
在这一项目的启发下，世界其他地区的金字塔也迎来了一波新的研究热潮。墨西哥国立人类历史研究所 Garcia-Solis 博士及其同事现在正在计划重新探测在墨西哥奇琴伊察的 El Castillo 玛雅金字塔。科学家们希望这样的研究可能会发现新的房间，以及给出新的、更加深入的内部3D图像。有科学家表示，μ子对金字塔研究来说，真的很合适。
如果说研究金字塔的隐藏空间完全是出于科学家的好奇心，那么对火山内部结构的探查则具有非常明显的实用价值：目前全世界仍然有很多火山处于活跃状态，任何一座都有可能随时喷发，对于生活在这些火山周围的人们来说，能够提前预测火山喷发是关乎身家性命的事业。
维苏威火山在公元79年摧毁了庞贝古城，这让它声名远扬。虽然这座火山自1944年以来一直处于休眠状态，但是对于周围的那不勒斯和其他城市来说，它依然是一颗定时炸弹。
科学家们使用 muography 技术研究火山内部， 试图预测下一次喷发。
图源：DRONAUT/WIKIMEDIA COMMONS ( CC BY-SA 4.0 )
很多科学家认为 muography 技术是有效的，但是必须与其他预测火山喷发的方法进行互相补充和结合，如地震测定、地面变形和火山气体排放的观察。有关火山结构的信息可以帮助科学家预测最终喷发会带来哪些危害，例如确定可能发生山体滑坡的地方，从而协助有关部门制定有效的预警和疏散计划。
为了研究火山内部结构，科学家捕获了穿过火山（一条以红色表示的轨迹）并到达粒子探测器（蓝色）的介子。通过确定 μ子的轨迹，科学家们可以确定附近区域的密度。
图源：G. BONOMI ET AL/PROGRESS IN PARTICLE AND NUCLEAR PHYSICS 2020
日本鹿儿岛附近的樱岛火山是世界上最活跃的火山之一，使用 muography 对樱岛进行日常探测获得了大量数据，东京大学地震研究所的田中广之使用深度学习技术对其进行了分析，能够通过前一周的数据来预测火山是否会在第二天爆发。该技术预测火山喷发的正确率超过72%，预测不喷发的正确率超过85%。
正如X射线的发现开启了一种全新的方式来看待一样，利用μ子可以改变我们对周围环境的看法。对于这种曾经被认为是奇怪的、不必要的粒子，科学家的态度已经改变。也许有一天，μ子可以拯救生命。
作者简介：
物理学作家 Emily Conover 于2016年加入《科学新闻》。她在芝加哥大学获得物理学博士学位，主要研究中微子。曾为《科学》杂志和美国物理学会撰稿，两次获得 DC 科学作家协会新闻简报奖。
参考文献：
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