Lazerle üretilen müonlar, gizli bir yapıyı görüntüledi

Romanya'da çalışan fizikçiler, yapay yolla üretilen bir müon demetini kullanarak ilk kez bir yapının görüntüsünü elde etti. Sonuç, geçen yıl gösterilen ilk lazer tabanlı müon kaynağının üzerine kuruluyor. Araştırmacılar, bu yaklaşımın klasik X-ışını yöntemlerine uygun olmayan yapılar için müon temelli görüntülemeyi daha erişilebilir kılabileceğini düşünüyor.

Müon görüntüleme neden değerli?

Müonlar elektronların daha ağır akrabalarıdır. Kütlelerinin büyük olması, kalın ve yoğun nesnelerin içine geleneksel elektron tomografisinden çok daha derin nüfuz etmelerini sağlar. Bu yüzden müon tomografisi, yani müografi, daha çok arkeoloji, yer bilimleri ve inşaat mühendisliğindeki büyük ölçekli yapıların görüntülenmesinde kullanılıyor. Yanan bir yüksek fırının çekirdeğine bakmak ya da bir nükleer atık depolama alanını tahribatsız taramak gibi, yapıya müdahale edilemeyen durumlarda da işe yarıyor.

Şimdiye dek müografi doğal müonlara dayandı. Bunlar, kozmik ışınların Dünya yüzeyinin yaklaşık 15-20 kilometre üzerinde atomlarla çarpışmasıyla oluşuyor. Ancak bu doğal akı saniyede santimetrekareye yalnızca bir parçacık düzeyinde kalıyor. Üstelik müonlar tek yönden, yani dikey olarak yukarıdan geliyor. Düşük akı ve sabit yön birleşince, tomografi için yeterli veriyi toplamak aylar sürebiliyor.

Lazerle müon üretimi nasıl işliyor?

Yapay bir müon demeti bu sınırlamaları aşabilir. Geçen yıl ABD'deki Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı'nda Davide Terzani önderliğindeki ekip, bu yönde önemli bir adım attı. Kompakt müon kaynakları, lazer plazma hızlandırması adlı tekniğe dayanıyor. Yöntem, 10 GeV dolayında enerjiye sahip elektronlar üretiyor. Bu yüksek enerjili elektronlar katı bir hedefe çarptığında elektronlar, pozitronlar, gama ışınları, nötronlar ve müonlardan oluşan bir ikincil parçacık sağanağı doğuyor.

Yeni çalışmada Horia Hulubei Ulusal Fizik ve Nükleer Mühendislik Enstitüsü'nden Alexandra Saftoiu ve Domenico Doria'nın yönettiği ekipler, Extreme Light Infrastructure Nuclear Physics (ELI-NP) tesisindeki 10 petavat sınıfı lazeri kullanarak benzer bir müon demeti üretti. Ardından demeti iyileştirmeye çalıştılar. Çalışma arXiv'de ön baskı olarak yayımlandı.

Asıl zorluk: arka plan parçacıkları

Saftoiu'ya göre temel sorun, müonlarla aynı süreçten kaçınılmaz biçimde çıkan arka plan parçacıklarını bastırmakla müon demetinin akısını ve enerjisini yüksek tutmak arasında doğru dengeyi bulmaktı. Müonların belirsizliğe yer bırakmadan algılanabilmesi için arka plan yeterince düşük olmalı, ancak koruma fazla sert olursa demetin kendisi zayıflayabiliyor.

Ekip, maddenin içinden farklı parçacıkların nasıl geçtiğini incelemek için GEANT4 platformunda kapsamlı Monte Carlo simülasyonları yürüttü. Sonuçlara göre en uygun, arka planı bastıran koruma üç katmanlı olmalıydı. İlk katman, demet ekseni boyunca toplam 100 cm kalınlığında polietilen levha yığınları ve tuğlalardan oluşuyor. İkinci katman, polietilen yapıyı tümüyle saran parafin tuğlalardan meydana geliyor; demet ekseni boyunca 60 cm, yanlarda ve üstte 40 cm kalınlığında. Son katmanı ise kurşun bir demet durdurucu ile iki metrelik güçlendirilmiş beton duvar oluşturuyor.

Neden önemli?

Doğal müonlarla görüntüleme, toplanan veri miktarı yüzünden çoğu zaman zaman alıcı bir işlem. Yönü ve akısı kontrol edilebilen yapay bir kaynak, prensipte bu beklemeyi kısaltabilir ve görüntülenecek nesneye göre ışının yönünü seçmeyi mümkün kılabilir. Bu da müografiyi yalnızca arazide uzun süre ölçüm yapılabilen büyük yapılarla sınırlı bırakmayabilir.

bu çalışma, bir laboratuvar ortamındaki ilk gösterimi temsil ediyor. Ön baskının henüz resmî hakem sürecinden geçip geçmediği kaynakta belirtilmiyor. Üretilen demetin kalitesi, kurulumun boyutu ve maliyeti gibi konular, tekniğin gerçek dünyada kullanılabilirliğini belirleyecek. Yine de X-ışınlarının geçemediği kalın ve yoğun yapıları görüntülemek isteyen mühendisler ile bilim insanları için, parçacıkları kozmik ışınlara bağımlı kalmadan üretebilmek önemli bir olasılık sunuyor.

Arka plan

Lazer plazma hızlandırması, yoğun bir lazer darbesinin plazmada oluşturduğu çok güçlü elektrik alanlarla parçacıkları kısa mesafede hızlandırması fikrine dayanır. Geleneksel hızlandırıcılar aynı enerjiye ulaşmak için çok daha uzun yapılar gerektirdiğinden, bu yaklaşım hızlandırıcıları küçültme potansiyeliyle ilgi çekiyor. Müonların bu tür kompakt sistemlerle üretilmesi ise parçacık fiziğinin ötesinde, görüntüleme uygulamalarının da önünü açabilecek bir gelişme olarak görülüyor.