Onzichtbaar voor het blote oog, muonen zijn elementaire deeltjes die ontstaan ​​door de botsingen van kosmische straling met moleculen in de bovenste atmosfeer. Deze muonen stralen constant onder verschillende hoeken op het aardoppervlak neer. Omdat muonen door materialen gaan, Sinds de jaren zestig hebben wetenschappers zich tot hen gewend om de binnenkant van structuren te 'zien', zoals de piramides van Gizeh.

Nu de muonen, ooit gebruikt om de binnenkant van piramides en vulkanen te verkennen, stellen onderzoekers in staat om diep onder de grond te kijken met een technologische doorbraak van PNNL.

Door detectieapparatuur - ongeveer zo groot als een kleine auto - naast een constructie te plaatsen, zoals een piramide, onderzoekers kunnen afwijkingen meten in de flux van muonen die er doorheen gaan. De anomalieën - met name veranderingen in het aantal muonen dat elke seconde de detectoren raakt - laten een verandering in dichtheid binnen de structuur of het object zien. In het geval van een piramide, anomalieën wezen op de aanwezigheid van crypten of verborgen kamers.

Door hun grote formaat, huidige muondetectoren kunnen de ondergrond alleen in beeld brengen als ze in ondergrondse mijnen of tunnels worden geplaatst. Om effectief te worden gebruikt om 3D-beelden van ondergrondse kooldioxidepluimen of oliereservoirs te maken, en uiteindelijk in staat zijn om veranderingen met de tijd te volgen, muondetectoren hebben een manier nodig om dieper te gaan en meer te "zien". Maar hoe krijgen we een detector ter grootte van een kleine auto duizenden meters onder de grond?

Onderzoekers van PNNL en hun partners hebben een muondetector ter grootte van een boorgat gemaakt - slechts vijf centimeter in diameter en ongeveer 60 cm lang - die diep in de aarde kan worden ingebracht. Dit eerste in zijn soort apparaat - gefinancierd door het DOE Office of Fossil Energy (Offsite link) als onderdeel van de Subsurface Technology and Engineering Research (SubTER) Crosscut - is een baanbrekende vooruitgang voor beeldvorming onder de grond.

Als geen verrassing, het bouwen van een dergelijke detector en de computermethoden om muon-anomalieën in dichtheidsbeelden te vertalen, vergde enige actieve deelname van partners:

• Universiteit van Hawaï:elektronica op maat
• Universiteit van Utah:simulatie voor verschillende ontwerpen
• Los Alamos National Laboratory (LANL):vergelijking (benchmark) met grote detectoren, en computermethoden om muon- en zwaartekrachtgegevens te koppelen
• Sandia National Laboratories (SNL):vergelijking met grote detectoren
• Lawrence Livermore National Laboratory:computermethoden om muon- en seismische gegevens te koppelen
• Paulsson Inc.:Instrumentverpakking voor gebruik in het boorgat Prototype van de muondetector ter grootte van een boorgat

Bestaande grote detectoren bevatten meerdere scintillatorvlakken - lagen van een materiaal die lichtflitsen produceren wanneer ze door een muon worden geraakt. Het eerste prototype van een boorgat-muondetector bestaat uit 30 horizontale lange sprankelende staafjes in twee lagen en 60 korte loodrechte staafjes in twee lagen. optische vezels, licht sensoren, en elektronica om elk muon te detecteren dat door het apparaat gaat. Er zijn verschillende computersimulaties van muonentrajecten uitgevoerd om de optimale geometrie van de verschillende lagen te selecteren. De detector telt de muonen, maar bepaalt ook hun banen die nodig zijn om een ​​3D-dichtheidsbeeld op te bouwen.

Het voltooide prototype werd in mei 2016 in het Shallow Underground Laboratory van PNNL ingezet voor een eerste succesvolle test. Het werd vervolgens begin juni naar LANL gestuurd om te worden getest in een tunnel waar het twee maanden lang gegevens zal verzamelen. Het onderzoeksteam zal die gegevens vergelijken met die van twee grotere detectoren die door LANL en SNL in dezelfde tunnel zijn ontwikkeld.

De ontwerpen voor het tweede prototype zijn in volle gang. Op basis van de lessen die zijn getrokken uit het eerste prototype, PNNL-onderzoekers, in nauwe samenwerking met de Universiteit van Hawaï, ontwerpen een bijgewerkt instrument met een grotere gevoeligheid en bedieningselementen voor oriëntatie in verticale en horizontale boorgaten.