你用光子給自己“美圖” 科學家用繆子“透視”龐然大物

生活中的拍照更完整的說法或許是：讓光子的軌跡投射出人或美景的影像。不止光子，利用電子、正電子、質(zhì)子等各種粒子的成像技術(shù)是人們“定格”的常用方法，經(jīng)常被用來反應微觀、宏觀、致密、疏松等不同特點的世界。

《自然》網(wǎng)站最近登載了一種全新的粒子成像方法。這篇題為《鮮為人知粒子探測致密物質(zhì)》的報道，介紹了借用繆子的探測方法，這與拍照借用光子成像類似?？茖W家們利用繆子給埃及金字塔、核廢料等之前難以探明內(nèi)里的物體“摸骨”，可以做到入木三分、直擊致密材質(zhì)的深層。

“和其他粒子比較起來，繆子的穿透能力很強，可以穿透上千米的巖石，因此可以對體積大的、難以穿透的東西成像，而電子、光子等粒子是不可能穿透這些物質(zhì)的。”中國科學院高能物理研究所研究員曹俊解釋。去年11月，《自然》網(wǎng)站就報道了科學家們利用繆子探測技術(shù)在最大的埃及金字塔胡夫金字塔中發(fā)現(xiàn)此前未知的巨大空室。此外，繆子還可以用在火山內(nèi)部、廢棄核電廠的內(nèi)部構(gòu)造等探測上。

可從自然界信手拈來，也能用加速器產(chǎn)生

“繆子比較重，產(chǎn)生起來比較困難，放射性衰變、核裂變、核聚變都無法產(chǎn)生繆子。”曹俊說，繆子不像電子、光子那樣容易產(chǎn)生，人造繆子需要重大裝備才能產(chǎn)生。

自然界天然存在繆子，是由宇宙射線與大氣分子相撞產(chǎn)生的。宇宙中充斥著高能宇宙射線，它們抵達地球外層大氣時會與大氣分子發(fā)生碰撞，生成派介子，派介子再衰變成繆子和中微子。“地球表面每平方米的范圍內(nèi)每秒會落下200個宇宙線繆子。”曹俊說。

繆子性質(zhì)和電子相似，帶電荷，但質(zhì)量是電子的兩百倍。因為質(zhì)量大、慣性大，它在物質(zhì)中不容易轉(zhuǎn)向，因此輻射造成的能量損失比電子小，穿透比電子深得多。此外，由高速碰撞產(chǎn)生的繆子本身也帶著巨大的動能，以高速沖向地面。高速度、高質(zhì)量使得繆子擁有“高段位”的“穿墻術(shù)”，可穿透幾公里的致密地層。

四川錦屏地下實驗室是目前世界上最深的地下實驗室，其巖層厚度約2700米，在那里仍然可以探測到來自宇宙射線的繆子。

“繆子也可以用加速器產(chǎn)生，將質(zhì)子在巨大的加速器中加速，轟擊靶標，產(chǎn)生繆子。”曹俊介紹，但這樣的加速器更像是基礎建設設施，而不是可移動的設備，并且非常龐大和昂貴。

例如今年在東莞建設成功的散裂中子源，也是通過質(zhì)子加速器產(chǎn)生中子的。“質(zhì)子加速器同樣可以用于產(chǎn)生繆子，所以我們很快將會在東莞建立一個試驗用的繆子源。”曹俊說。

“目前只有固定加速器能產(chǎn)生繆子，因此還不具備應用于探測設備上的條件。”曹俊解釋，未來如果能夠把質(zhì)子加速器小型化，使其可移動，才有可能制造出類似于CT(電子計算機斷層掃描)設備對山或大型建筑成像。“目前也有人在進行質(zhì)子加速器小型化的研究工作，例如可以裝在卡車上的超導回旋加速器，但還處于研究初級階段，短時間內(nèi)較難實現(xiàn)。”

在《自然》的報道中，對巖石、礦藏、火山、金字塔等進行掃描所利用的繆子，就是從自然界“信手拈來”的，也是最方便的。

追蹤印跡不需去噪，“成像術(shù)”自動化難

利用粒子成像的設備均可粗略概括為“三段論”：即粒子的產(chǎn)生器件、粒子與成像物體的相互作用以及粒子的示蹤。除此之外，對所有粒子示蹤信號的分析和再現(xiàn)則是非常關鍵的軟件部分。

在這樣的架構(gòu)下，無處不在的宇宙線繆子使得粒子產(chǎn)生不是設備中必需的，如何探測繆子成為研究重點。對繆子成像設備與系統(tǒng)的研究自1955年首個繆子測量之后從未停止。

“當繆子經(jīng)過物質(zhì)時，不同密度的物質(zhì)對繆子的吸收能力不同，最終達到探測器的繆子數(shù)量就不同，通過不同方向測到的繆子數(shù)量，可以反推繆子走過的路是怎么樣的。”曹俊解釋繆子成像原理認為，就好像一路全速前進的特種兵，在翻閱溝壑、趟過密林、順流而下的不同行進路線之后，狀態(tài)也是不一樣的。

好在繆子屬于“重型裝甲兵”，可以穿過很多層探測器，其主要的能量損失方式是電離，而不是像光子那樣整個消失。因此可以把繆子穿過每層探測器時留下的腳印串起來，看到清楚的徑跡，基本不需要去噪技術(shù)。

繆子的探測分為兩個過程：首先是粒子鑒別，即把繆子與其他粒子區(qū)別開來;然后是獲得繆子的具體參數(shù)，比如能量與方向等。

“探測繆子一般用粒子物理探測器，有很多種類。報道中提到的金字塔考古工作同時使用了核乳膠、塑料閃爍體、氣體微結(jié)構(gòu)等三種技術(shù)。”曹俊解釋，此外還有阻性板探測器等常用技術(shù)。

所用探測材質(zhì)都會通過光、電等效應記錄下粒子的印跡。例如，核乳膠是在乳膠中分布了溴化銀等顯影物質(zhì)，帶電粒子穿過核乳膠層時，使得顯影物質(zhì)發(fā)生電離等化學變化，通過顯影定影后，可根據(jù)影像追蹤粒子的徑跡，再進行測量。這一“成像術(shù)”更像膠片相機，不能即時得到測量結(jié)果，難于實現(xiàn)自動化。

塑料閃爍體則是一種吸收高能粒子或射線后能夠發(fā)光的材料，通過光電信號轉(zhuǎn)換后，可得到電信號，進而實現(xiàn)自動化計算，并有通過后續(xù)算法三維重建、可視化等潛力。

走向?qū)嶋H應用，還需“命題作文”

“繆子成像在技術(shù)原理上并沒有太多需要研究的地方，更多地是如何讓它在應用時更方便。”曹俊說?？娮有再|(zhì)、探測方法、成像方法等相關通用性原理已經(jīng)相對較清楚，但針對某一特定問題如何更準確地探測，并建立行之有效的分析算法，才能夠在工作中實踐。

由于繆子與高原子序數(shù)的核相互作用明顯，很容易用于識別較重的燃料核素，因此，將繆子成像技術(shù)用在核反應堆的監(jiān)測上或者核走私的探查上，都能夠?qū)崿F(xiàn)安全無損的檢測。相關研究論文顯示，如果繆子成像系統(tǒng)運用于工業(yè)集裝箱檢測，探測器的面積最好大于1平方米。在這樣的要求下，阻性板探測器優(yōu)勢更加明顯。

“最近我們在大亞灣中微子實驗室把一塊塊的探測器重新組合，從平面轉(zhuǎn)為立體，每個面放了三層阻性板，每層里面其實還由四層組成。”曹俊解釋，雖然這樣做的目的是為了探測宇宙線繆子，但是在實際應用中也可以對集裝箱或者山成像。

每層阻性板之間將加上7600伏特的電壓，繆子穿過物質(zhì)時會使物質(zhì)電離，但電離作用太小，人是感覺不到的。阻性板加上高壓后，一有電離就會形成打火，產(chǎn)生可以記錄下來的電信號。曹俊解釋：“立方體構(gòu)造的探測裝置，可以測量各個方向來的繆子。多層設計是為了讓繆子在穿透每層探測器時都留下一個點，大大提高測量精確度。”

在針對實際問題的研究工作中，繆子成像方法和關鍵技術(shù)的條件與操作還需要進行具體問題具體分析式的“命題作文”。例如在回答能否利用繆子地質(zhì)斷層成像探明礦區(qū)詳細的礦石儲量與分布的問題時，在給出肯定回答的同時，還需要通過實驗確定采用哪種探測器成本更低廉、哪種分析方法更高效等具體的細節(jié)問題。(記者 張佳星)

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