用μ介子探測地球

吳青

到2016年10月13日，意大利科學家塔尤比已經知道自己主導的“掃描金字塔”項目方向正確。那一天，他與自己的團隊和一個埃及學團隊會晤，他的團隊向后者介紹了他們在胡夫金字塔（也稱吉薩大金字塔）的北表面發現的一個之前未知的洞室。雖然當時“掃描金字塔”項目才開展了短短12個月，但已經獲得了一些有希望的結果。

2017年，塔尤比團隊又在有4500年歷史的胡夫金字塔內部發現一個巨大的洞室。雖然無法定位這個洞室的確切位置，但塔尤比團隊能肯定它的長度大約為30米，而且它位于大畫廊上方。大畫廊是連接王后墓室與胡夫法老墓室的走廊，其墻壁上有大量壁畫，胡夫墓室里有他的石棺。事實上，自從19世紀以來.這是首次在這座金字塔內發現一個此前未知的大型建筑結構。

μ介子被用于金字塔的內部成像

雖然不清楚這個結構是水平方向的還是傾斜的，也不知道它是一個完整的結構還是由多個結構串接而成，但塔尤比能肯定的是，沒有任何記載或理論提到該結構的存在。更引人注目的是，前述兩大發現都是在完全不傷及胡夫金字塔的情況下取得的。塔尤比團隊沒有對這座金字塔的任何部位進行鉆探、開啟或拆除，就看穿了這座高達140米的巨型石塔，并且在其中辨認出了之前任何人都不知其存在的洞室。塔尤比團隊之所以能獲得這一驚人成績，是因為他們借助了μ介子斷層攝影術（也稱μ介子探測術），該技術讓科學家能夠無侵入性探索之前多半需要依賴侵入性手段才能探索的秘密。

μ介子斷層攝影術有點像把太空探索反過來進行。μ介子斷層攝影術不是采用在地面建造的設備來探測太空，而是依賴在太空產生的宇宙射線來探索地球上的事物。宇宙射線是在太空以近光速穿行的高能粒子，它們由太陽、太陽系外的超新星（恒星死亡時的爆發）甚至宇宙大爆炸產生。它們一直不停地穿行于每個方向，因此有很多這樣的高能粒子經常與地球大氣層中的氧分子和氮分子碰撞，由此產生一系列其他粒子。這些粒子中的大多數在地球大氣層中被阻滯，但另一些長驅直入到達地面，它們通常是μ介子。

μ介子是像電子一樣的基本粒子，但μ介子比電子重200倍。這么重，再加上穿行速度極快，讓μ介子比其他類型的輻射（例如X射線和伽馬射線）更能穿透厚密物質。與X射線和伽馬射線不同的是，μ介子不會傷及被它們穿透的物體。

μ介子不但能穿透數十米厚的混凝土，而且能穿透人體，但不會對人體造成傷害。在地球上μ介子無處不在，可以說它們構成了自然環境的一部分。簡言之，要想窺探根本去不了的物體（例如密封的墓室、考古遺址中的胎洞穴咸火山內部通道）內部，μ介子就再合適不過了。為此，需要捕捉穿透這些物體的μ介子，利用它們來創制這些物體的內部圖像。

μ介子探測到了金字塔中的密室（示意圖）

科學家把μ介子探測流程比作照X光。如果—個物體（比如你的手臂）位于X射線的源頭和相機之間，你的手臂就會吸收一些通過它的X射線。皮膚、肌肉、血管和骨骼的不同密度，決定著到達相機的X射線數量。物質密度越高，吸收的X射線越多。因此，我們在X光儀器中看到的是不同部位的陰影，陰影顏色越淺表明該部位密度越高，因此能區分不同的部位。μ介子斷層攝影術的原理與此相仿，所以可以采用這種技術來探測物體（比如維蘇威火山）。

與X光機不同的是，μ介子斷層攝影儀利用的不是X射線，而是μ介子。μ介子從地球周圍所有方向來到地球，但科學家感興趣的是在接近水平方向到來的μ介子，因為它們能穿透火山。一路穿透維蘇威火山的μ介子會在這座火山背后產生一種陰影。把多部μ介子探測器放置在陰影區，科學家就能采集到陰影圖像，通過研究圖像中反映的物質密度差異來辨別火山內部的結構。

然而，借助μ介子研究像火山這么大的物體需要耐性，因為不僅μ介子極小，而且每秒通過1平方米面積的μ介子只有大約100個。因此，盡管μ介子無時無刻不在“轟炸”地球，采集足夠的μ介子以探測像維蘇威火山這樣大規模的物體卻很花時間。畢竟，μ介子流的強度弱，而且通過火山的大部分μ介子都被火山吸收，所以采集μ介子的過程歷時數月之久。

科學家在金字塔前方部署μ介子探測器

科學家在金字塔前方部署μ介子探測器

一旦獲得陰影圖像，就能用它預測火山爆發嗎？不能。但透過μ介子圖像能了解火山內部通道結構與爆發類型之間的關系。尤其是，如果維蘇威火山再度爆發，那么什么條件會造成火山灰云和火山灰流？火山灰云會阻礙飛機和壓塌房頂;火山灰流是由巖石碎片和氣體組成、快速移動和超熱的混合物，能焚毀其所經過路徑上的一切物體。結合μ介子探測信息和地震學及氣象學數據，當探察到火山即將爆發的比較明確的跡象時，有助于警示人們及時撤離。

μ介于探測目標之一——維蘇威火山

埃契亞山下面從凝灰巖中掘出的這個洞穴，曾被用作防空洞和警方扣押車輛存放地

最近在成像技術方面的進展，讓μ介子斷層攝影術的應用范圍越來越廣（請參見相關鏈接：《μ介子的其他用途》）。但μ介子斷層攝影術并非新事物。μ介子于1936年被發現。1955年，一名工程師運用μ介子斷層攝影術來調查一個礦區上空的物質數量。20世紀60年代末，美國著名物理學家阿爾瓦雷茲運用μ介子斷層攝影儀來尋找埃及金字塔內部暗藏的密室。從他當時撰寫的論文來看，他對金字塔的測量結果完全正確，而且他的測量手法非常巧妙。雖然他沒有發現任何密室，但那僅僅是因為他沒找對地方。

阿爾瓦雷茲當時探索的是海夫拉金字塔。如果他當時把μ介子探測器對準這座金字塔隔壁的胡夫金字塔，那么他完全有可能領先“掃描金字塔”項目近50年，發現后一座金字塔內部的密室。

不難理解的是，μ介子探測器正出現在越來越多的考古遺址。隨著μ介子成像的解析度越來越高，研制出的μ介子探測器也越來越便攜和越來越便宜，μ介子斷層攝影術正在拓展我們的視野，尤其是讓我們能夠一窺之前不打開就根本看不見的東西或地方。

這樣的地方還真不少。例如意大利的埃契亞山——一個延伸到那波利灣、高60米的岬角。在大約3000年前，這里是古希臘帕爾忒諾珀族生活的地方，也是那不勒斯最早的雛形。此地基本上由凝灰巖建造。凝灰巖是火山灰形成的一種硬度低的黃色巖，被古人用作建筑材料。埃契亞山下面有一個復雜的通道和洞室系統，古人通過該系統挖掘凝灰巖。

科學家對該系統的調查已進行了數年。2017年科學家意識到，用新研發的μ介子探測器調查埃契亞山很合適，一是因為之前對這座“山”的內部情況已有一定的了解（因而可以把探測結果與已知情況對照，從而證明探測精度），二是因為今天的埃契亞山并非是一座孤立的“山”，而是“山”上有大量建筑物。這樣一來，就對μ介子探測器構成了挑戰：要想透過這些建筑窺測“山”的下面，當然不容易。不過，這讓μ介子探測變得更有趣：開始時，科學家并不確定這些建筑物是否會干擾測量。

可喜的是，測試很成功。經過μ介子探測，科學家不僅對應上了埃契亞山內部所有以前就知道的洞室，而且發現了一個之前未知的洞室。他們對該洞室進行了三維重建，并且對它進行了定位。以后如果要對埃契亞山內部進行實地探測，這一信息無疑很有幫助。不過，目前尚無實地探測的計劃。

離開埃契亞山，科學家又來到那波利的另一個洞穴式考古遺址——庫瑪，這里被認為是意大利大陸上第一批古希臘定居者的落腳地。但因為各種原因，該項目目前被擱置。不僅如此，在世界其他地方的μ介子探測項目也基本都擱置了。目前，科學家正在進一步優化μ介子探測器，希望這種技術在未來會更加精準。

“掃描金字塔”項目也受到影響，暫時中止。不過，該項目已經對2016年發現的小洞室揭示了更多信息，比如能比較有信心地推測它是一條5米長的走廊，通往金字塔內部，還可能向上傾斜。不僅如此，該項目還優化了對2017年所發現大洞室維度的估計，比如現在能比較肯定它的長度至少為40米。

用μ介子探測草原鼠洞及洪水風險

一旦μ介子探測項目得以恢復，那么世界各地那些最古老的人造和天然結構內部隱藏的信息就會開始顯露出來，從而給我們帶來更多的啟發和幫助。

μ介子斷層攝影術能探查一個物體內部的密度差異，這讓該技術的應用范圍超出了考古學和火山學。建筑物內部的空腔和縫隙都可能構成危險，而通過μ介子探測技術辨識大型民用建筑（例如橋梁）內部的危險縫隙，就可能拯救生命。

由于μ介子探測技術是非侵入性的，因此要想辨識這樣的危險縫隙無需鉆探，而鉆探無疑會進一步損傷建筑物。出于這一理由，同時考慮到保護古遺址的重要性，科學家已經計劃時意大利佛羅倫薩一座大型古建筑進行μ介子探測，目前，該計劃尚未實施。

與此相似，運用μ介子斷層掃描術檢查冶煉金屬的高爐壁厚度，能揭示高爐的預期壽命還剩下多久。

科學家將采用μ介子探索這座古建筑

μ介子探測術在核電站也有用場。例如，它可被用來在不打開容器的情況下檢查核廢料容器，否則就可能要打開容器才能進行檢查，而一旦打開容器就可能造成核輻射，而且再次關閉好客器也很費事。