Myonigrafia

Myonigrafia tarkoittaa myoni-alkeishiukkasten käyttämistä kohteiden läpivalaisuun.

Teoriaa

Myonit ovat sähköisesti varattuja leptoneihin kuuluvia alkeishiukkasia. Luonnossa niitä syntyy pääasiassa kosmisen säteilyn hajotessa Maan ilmakehän yläosissa ja maanpinnalle niitä saapuu joka suunnasta. Niiden suuri energia sallii niiden tunkeutua syvälle kallioon, veteen ja muihin aineisiin. Keskimäärin 3 miljardin elektronivoltin energian omaavat myonit läpäisevät noin 1,8 metriä lyijyä. 100 GeV myonit läpäisevät 100 metriä kalliota ja 1 TeV energian omaavat tunkeutuvat aina 1 km:n syvyyteen maankuoreen. Matkallaan aineen läpi ne menettävät energiaa ionisoimalla harvakseltaan läpäisemänsä aineen atomeja, mutta niiden kulkema rata on hyvin suora, kunnes ne menettävät liikaa energiaa. 

Kohteen läpi kulkeneiden myonien energia ja ratapoikkeamat on mahdollista mitata, ja käyttäen useampaa kuin yhtä ilmaisinta on periaatteessa mahdollista muodostaa kolmiulotteinen kuva kohteen sisuksista. Menetelmän haittapuoli on sen hitaus, sillä myoneja tulee maanpinnan neliösentille vain noin yksi minuutissa, ja korkeamman energian omaavia sitä vähemmän.

Arkeologia
Myoni-ilmaisimia oli jo 1940-luvulla, mutta ilmeisesti ensimmäisen kerran 1960-luvun lopulla yhdysvaltalaisen fyysikon Luis Alvarezin aloitteesta egyptiläis-yhdysvaltalainen tutkijaryhmä käytti myonigrafiaa Gizan Khefrenin pyramidin tutkimiseen. Ilmaisinlaitteisto sijoitettiin pyramidin alla olevaan kammioon. Kaksi vuotta kestäneistä mittauksista ilmeni, ettei Khefrenin pyramidissa ollut yhden, jo löydetyn lisäksi enempää isompia kammioita. Mittausjärjestelyissä oli pyritty eliminoimaan heikoiksi käyneet, poikkeamiensa takia mittausta häiritsevät myonit suojaamalla ilmaisin paksuhkolla metallilla.

Vuonna 2008 oli käynnissä kaksikin hanketta myonien hyödyntämiseksi arkeologisessa tutkimuksessa:

Belizessä La Milpan, muinaisen Maya-kaupungin raunioilla olevan rakennelman sisältävä kumpu aiottiin läpivalaista. Ilmaisimena aiottiin käyttää kahta kaasutäytteistä sylinteriä, joka oli vuorattu myoneja rekisteröivällä materiaalilla. Sylinterin sisälle sijoitettuna olisivat myös ilmaisimet, jotka rekisteröivät myonien kaasussa synnyttämät valonvälähdykset. Prototyyppi-ilmaisin oli noin 5 metriä pitkä ja Teksasin yliopistoa edustava Roy Schwitters sanoi 1000 myonin mittauksen kestävän 10 päivää.
 
Toinen hanke koski Auringon pyramidia Meksikon Teotihuacánissa. Pyramidin alla kulkevaan käytävään aiottiin sijoittaa kuudesta, päällekkäisestä kaasutäytteisestä osastosta koostuva ilmaisin. Tutkimusryhmää johtava Arturo Menchaca-Rocha arvioi ilmaisimen löytävän kaikki pyramidin sisäiset kammiot, jotka olisivat yli 75 cm korkeita. Mittausten odotettiin kestävän noin vuoden.

Rahdin läpivalaisu

Los Alamosin National Laboratoryssä tutkittiin 2000-luvun alussa myonigrafian käyttöä laittoman ydinmateriaalin kuljetuksen valvonnassa. Röntgen- ja gammavalaisulaitteet, joita on käytössä Yhdysvaltain raja-asemilla, ovat eliminoitavissa lyijy tai terässuojilla. Mutta myoneja käyttäen raskaat alkuaineet sinällään on mahdollista havaita ja tunnistaa, kuten mahdollisen ydinmateriaalin suojana oleva metalli, tai ydinmateriaali itsessään. Tämä siksi, että myonien hajonta on hyvin herkkä läpikuljettavan aineen tiheydelle ja atomiluvulle. Myonien läpäisy on myös paljon parempi.

Laitteisto koostuu auton ylä- ja alapuolella olevista ilmaisimista ja tutkijat ovat kertoneet sen löytävän suojatun ydinmateriaalin noin minuutissa. Myonit eivät ole myöskään erityisen vahingollisia autossa oleville ihmisille röntgen- tai gammasäteiden tapaan, sillä he saavat saman myoniannoksen taivaalta joka tapauksessa.

Geologia
Myonigrafiaa on useaan otteeseen tutkittu mahdollisuutena ennakoida tulivuorenpurkauksia. Laavan pinnan nousu voisi olla havaittavissa menetelmällä, sen hitaudesta huolimatta. Koemittauksia on tehty ainakin Japanissa, Italiassa, Filippiineillä, Ranskan Guadaloupella ja Kolumbiassa.

Suomessa on 2000-luvulla kehitetty menetelmä kallioperän analysointiin, missä anturi mahtuu syvään kairausreikään. Menetelmällä pystytään kuvantamaan anturin yläpuolisen maaperän rakennetta aina kilometrin syvyydestä ylöspäin.

Fukushima
Fukushiman ydinvoimalaonnettomuuden 2011 jälkeen myonigrafialla läpivalaistiin vahingoittunutta ykkösreaktoria ja voitiin todeta  polttoaineen sulaneen ja pudonneen paikaltaan reaktorisydämestä. Menetelmään päädyttiin etäkuvausmenetelmänä reaktorirakennuksessa vallinneen vaarallisen korkean säteilytason takia. Myös tässä tapauksessa myonien lähden oli taivaallinen, eikä keinotekoinen. Ilmaisimet sijoitettiin reaktorirakennuksen ulkopuolelle.

Muu käyttö ja tulevaisuuden näkymät
1940-luvulla tutkijat Australiassa hyödynsivät menetelmää lumimittauksissa vuoristossa.
Myoneja on mahdollista tuottaa myös keinotekoisesti. Jo vuonna 2004 japanilainen tohtori Kanetada Nagamine piti mahdollisena rakentaa olemassa olevalla teknologialla siirrettävä, pienikokoisiin hiukkaskiihdyttimiin  perustuva läpivalaisulaite, joka tuottaisi 600 MeV:n myoneista koostuvan suihkun. Rahdin ohella hän esitti mahdollisiksi käyttökohteiksi masuunit ja ydinreaktorit. Lisäksi hän visioi tehokkaammalla laitteella olevan mahdollisuuksia myös tulivuorten tarkkailussa.

Katso myös
Maatutka
Hiukkasilmaisimet

Lähteet

Viitteet

Aiheesta muualla
Myonit skannaavat pyramidin. Tieteen Kuvalehti 10/2007.
Suojeleva Aurinko: Aurinko ja kosmiset säteet. Myoniradiografia Eino Valtonen, Avaruustutkimuslaboratorio, Fysiikan ja tähtitieteen laitos, Turun yliopisto.
http://www.science.doe.gov/sbir/awards_abstracts/sbirsttr/cycle23/phase1/232.htm
Los Alamos muon detector could thwart nuclear smugglers  LANL News 19.2.2005. Viitattu 13.11.2009

Hiukkasfysiikka
Arkeologia
Sovellettu fysiikka