Ein kontrollierter Myonenstrahl hat die Silhouette eines Bleigegenstands sichtbar gemacht, nachdem er eine dicke Betonschicht durchquert hatte.
Myonen sind Teilchen, die Elektronen ähneln, aber etwa 200-mal schwerer sind. Deshalb durchdringen sie Gestein, Metall oder Beton wesentlich leichter. Natürliche Myonen entstehen ständig, wenn kosmische Strahlung auf die obere Atmosphäre trifft. Ihr Durchgang kann dazu dienen, in das Innere von Objekten zu blicken, die Röntgenstrahlen nur schwer durchdringen.
Schema des Versuchsaufbaus zur Erzeugung und Messung des Myonenstrahls. T32 und SiRO, 12 m vom Ziel entfernt angebracht, dienen dazu, den Strahl zu kontrollieren und zu charakterisieren. Der mobile Detektor μ36 wird in verschiedene Entfernungen und Positionen bewegt, um sein Profil zu messen und Bilder zu erstellen. Das für die Myografie verwendete Bleielement ist in diesem Schema nicht dargestellt.
Diese als Myografie bezeichnete Technik funktioniert bereits mit aus dem Himmel kommenden Myonen. Ihr Hauptproblem ist ihre geringe Anzahl. Manchmal müssen über sehr lange Zeit Messungen gesammelt werden, um ein brauchbares Bild zu erhalten. Die bedarfsgesteuerte Erzeugung dieser Teilchen könnte die Beobachtungen daher erheblich beschleunigen.
Die Forscher nutzten einen sehr leistungsstarken Laser, um Elektronen in einem Gas zu beschleunigen. Diese Elektronen trafen anschließend auf ein festes Ziel und erzeugten hochenergetische Strahlung. Diese erzeugte schließlich Myonenpaare. Die Kollision erzeugte außerdem zahlreiche störende Gammaphotonen und Neutronen, deren Signal stark abgeschwächt werden musste.
Das Team installierte mehrere Schichten absorbierender Materialien und anschließend eine 2 m dicke Betonwand. Die energiereichsten Myonen setzten ihren Weg fort. Ein mobiler Detektor, der bis zu 42 m von der Quelle entfernt bewegt wurde, maß anschließend den Strahl. Dabei erfasste er unter anderem seinen Durchgang hinter einem Stapel Bleiziegel.
Das erhaltene Bild ist noch einfach, aber Form und Position des Stapels sind erkennbar. Die Simulationen zeigen, dass das Signal, mit dem das Bild erstellt wurde, von Myonen dominiert wurde. Ihre Energie erreichte einige Milliarden Elektronenvolt – genug, um den dicken Schutz auf ihrem Weg zu durchdringen.
Der Nutzen eines solchen Strahls liegt vor allem in seiner Kontrollierbarkeit. Bei kosmischen Myonen muss man warten, bis die Natur die Teilchen liefert. Eine künstliche Quelle kann nach Bedarf betrieben werden.
Der Aufbau besteht daher aus zwei Teilen: einer Myonenquelle auf der einen und einem Detektor auf der anderen Seite. Der zu untersuchende Gegenstand muss sich zwischen beiden befinden, damit die Myonen ihn durchqueren, bevor sie gemessen werden. Eine solche Anordnung könnte dazu dienen, das Innere dicker Strukturen zu untersuchen, etwa von Gebäuden, Betonbauwerken oder bestimmten Gesteinsformationen.
Die Methode ist jedoch noch weit von einem einsatzbereiten Gerät entfernt. Das erhaltene Bild besitzt weiterhin eine begrenzte Auflösung, und die verwendete Laseranlage ist imposant. Fortschritte bei der Erzeugung von Myonen und bei den Detektoren sind nötig, bevor detailliertere Objekte untersucht werden können.
Die Arbeit ist derzeit als Preprint auf arXiv verfügbar. Sie hat daher noch nicht den vollständigen Begutachtungsprozess einer wissenschaftlichen Fachzeitschrift durchlaufen. Die nächsten Experimente müssen vor allem zeigen, ob diese Quelle mehr Myonen liefern und dabei stabil genug für wiederholte Messungen bleiben kann.