μ子成像：宇宙射线如何帮助我们分析古代城墙、金字塔和火山

μ子令人费解，因为μ子的一些特性与粒子物理学主要理论（即所谓标准模型）的预言有细微但明显的偏差。然而，科学家们已经找到了一种类似于传统射线照相法的、利用这种神秘粒子的方法，来深入内部观察不可能物理接触的大型物体，如古代建筑、火山甚至核反应堆。

“尽管我们看不到μ子，但其在地球上无处不在：μ子以近乎光速从各个角度不断穿过我们和我们周围的物体，”国际原子能机构的核物理学家Ian Swainson说。“μ子对人完全无害，但可以穿透数百米的岩石，为了解我们看不见的材料的组成和尺寸提供了一种通用手段。”

“μ子成像的原理在某种意义上与X射线或伽马射线照相法类似，而X射线或伽马射线照相法可在医学上用于扫描身体，在工业上用于评估结构和部件的完整性和安全性,”粒子物理学家及新出版物《μ子成像》的作者之一Andrea Giammanco补充说。“但是，X射线和伽马射线照相法依赖于由粒子加速器或放射源产生的强人工辐射源，而μ子射线照相法则基于来自外层空间的自然宇宙射线。”

μ子成像一般有两种：μ子射线照相术和μ子散射断层照相术。

μ子射线照相术指将一个探测器放在一个结构的下方或侧面，以捕捉穿过该结构的μ子。材料密度越大，被吸收的μ子就越多。一些成功穿过该结构的粒子将被对面的探测器捕获。在所得图像中，μ子容易通过的空隙将标记为亮部，而密度较高的材料则标记为暗部。

μ子射线照相术依赖于材料对μ子的吸收，而μ子散射断层照相术则基于μ子是如何散射的。例如，在一辆汽车或一个运输集装箱的两个对立面安置两个探测器，专家可以跟踪粒子是如何从质子数量较多的高密度材料中偏转的，从而无需物理检查便可查看车辆或集装箱内部。

自20世纪50年代进行的首次实验以来，μ子成像已在世界各地用于扫描大量各种物体。目前，μ子射线照相术正用于评估意大利那不勒斯附近维苏威火山的内部结构，该火山在公元79年不幸摧毁了古罗马城市庞贝和其他一些定居点。研究人员正在努力用μ子探测器将维苏威火山的内部过程可视化，从而改善对预测任何潜在的火山爆发及其过程至关重要的建模工作，并制定方案来减少火山爆发对当地居民的风险。自1944年最后一次喷发以来，维苏威火山一直没再出现喷发活动。

同样，μ子成像还被用于扫描位于墨西哥城附近的太阳金字塔（即世界上第三大金字塔）、经过日本上空的旋风、阿尔卑斯山的冰川，以及最近扫描了法国正在退役的核反应堆。

原子能机构计划在明年举办题为“μ子断层照相术： 从基本原理到实际使用与应用”的讲习班。与会者将讨论该技术的各种实际应用模式、所用探测器的特性、μ子轨道的算法重建以及数据分析和图片重建。

原子能机构的新出版物《μ子成像》详细描述了μ子成像的主要技术和不同类型的相关探测器。该出版物还涵盖了从检查现代和古代建筑、火山和工业结构到加强核安保和保障的广泛应用。“这本出版物对μ子成像领域作了全面概述，对工业界和学术界的读者来说非常有用，有助于他们更深入地了解这个发展中的领域，”Swainson说。点击此处获取出版物《μ子成像》。