Deeltjesfysici hebben een groot, verborgen leegte in de piramide van Khufu, de grootste piramide van Gizeh, Egypte – gebouwd tussen 2600 en 2500 voor Christus. De vondst, gepubliceerd in Natuur , werd gemaakt met behulp van op kosmische straling gebaseerde beeldvorming en kan wetenschappers helpen uit te zoeken hoe de raadselachtige piramide eigenlijk werd gebouwd.

De technologie werkt door deeltjes te volgen die muonen worden genoemd. Ze lijken erg op elektronen – ze hebben dezelfde lading en een kwantumeigenschap die spin wordt genoemd – maar zijn 207 keer zwaarder. Dit verschil in massa is heel belangrijk, want het blijkt bepalend te zijn voor hoe deze deeltjes op elkaar inwerken wanneer ze materie raken.

Hoogenergetische elektronen zenden elektromagnetische straling uit, zoals röntgenstralen, wanneer ze vaste materie raken, waardoor ze energie verliezen en vast komen te zitten in het doelmateriaal. Vanwege de veel hogere massa van het muon, deze emissie van elektromagnetische straling wordt onderdrukt met een factor 207 kwadraat vergeleken met elektronen. Als resultaat, muonen worden door geen enkel materiaal zo snel tegengehouden, ze zijn zeer penetrerend.

Muonen worden gewoonlijk geproduceerd in kosmische straling. De bovenste atmosfeer van de aarde wordt voortdurend gebombardeerd met geladen deeltjes van de zon maar ook van bronnen buiten ons zonnestelsel. Het is de laatste die zorgt voor de meer energetische kosmische straling die muonen en andere deeltjes kan produceren in een keten van reacties.

Aangezien muonen een relatief lange levensduur hebben en vrij stabiel zijn, het zijn de meest talrijke deeltjes die worden gezien door kosmische straling op grondniveau. En hoewel er onderweg veel energie verloren gaat, muonen met zeer hoge energieën komen voor.

Wetenschap doen met muonen

De deeltjes zijn vrij eenvoudig te detecteren. Ze produceren een dun spoor van "ionisatie" langs het pad dat ze nemen - wat betekent dat ze elektronen van atomen afstoten, waardoor de atomen geladen blijven. Dit is best handig, waardoor wetenschappers die verschillende detectoren gebruiken het pad van het muon terug naar zijn oorsprong kunnen volgen. Ook, als er veel materiaal in de weg van het muon zit, het kan al zijn energie verliezen en in het materiaal stoppen en vervallen (opgesplitst in andere deeltjes) voordat het wordt gedetecteerd.

Deze eigenschappen maken muonen uitstekende kandidaten voor het maken van afbeeldingen van objecten die anders ondoordringbaar of onmogelijk te observeren zijn. Net zoals botten een schaduw produceren op een fotografische film die wordt blootgesteld aan röntgenstralen, een zwaar en dicht object met een hoog atoomnummer zal een schaduw produceren of een vermindering van het aantal muonen dat door dat object kan gaan.

De eerste keer dat muonen op deze manier werden gebruikt was in 1955, toen E.P. George de deklaag van gesteente boven een tunnel mat door de muonflux buiten en binnen de genoemde tunnel te vergelijken. De eerste bekende poging om een ​​opzettelijke "muogram" te maken, vond plaats in 1970 toen Luis W. Alvarez op zoek was naar uitgebreide grotten in de tweede piramide van Gizeh, maar vond er geen.

In het laatste decennium of zo, muon tomografie heeft een nieuwe impuls gekregen. In 2007, een Japanse samenwerking nam een ​​muogram van de krater van de vulkaan Mt Asama om de binnenstructuur te onderzoeken.

Muon-scans worden ook gebruikt om de overblijfselen van de Fukushima-reactor te onderzoeken. In het Verenigd Koninkrijk, de Universiteit van Sheffield stelt voor om metingen van de muonflux te gebruiken om koolstofopslagplaatsen te monitoren.

Khufu . verkennen

De eenvoudigste manier om muonen te gebruiken om grote objecten zoals een piramide te onderzoeken, is door te zoeken naar verschillen in de muonflux die er doorheen gaat. Een solide piramide zou een schaduw of een vermindering van het aantal muonen in die richting achterlaten. Als er een grote holle leegte in de piramide is, zou de muonflux in de richting van die leegte toenemen. Hoe groter het verschil tussen "vast" en "hol", hoe gemakkelijker het wordt.

Het enige wat je hoeft te doen is ergens bij de grond zitten, kijk een beetje omhoog vanaf de horizon naar de piramide en tel het aantal muonen dat uit elke richting komt. Omdat kosmische muonen enigszins energiek moeten zijn om door een hele piramide te gaan en omdat onze detector-"ogen" relatief klein zijn, we moeten daar een tijdje zitten en tellen, meestal enkele maanden om voldoende muonen te tellen. Op dezelfde manier als we twee ogen hebben om een ​​3D-beeld van de wereld in onze hersenen te krijgen, we willen twee aparte detector "ogen" om een ​​3D beeld te krijgen van de leegte in de piramide.

Het interessante aan de aanpak van dit team is dat ze drie verschillende detectortechnologieën hebben gekozen om de piramide te onderzoeken. De eerste is een beetje ouderwets, maar biedt een superieure resolutie van het resulterende beeld:fotografische platen die zwart worden door de ionisatie. Deze werden maandenlang in een van de bekende kamers in de piramide achtergelaten en in Japan geanalyseerd nadat het verzamelen van de gegevens was voltooid.

Voor de tweede methode werden plastic "scintillatoren" gebruikt die een lichtflits produceren wanneer een geladen deeltje er doorheen gaat. Dit soort detectoren worden gebruikt in verschillende moderne neutrino-experimenten.

En tot slot kamers gevuld met gas, waar de ionisatie veroorzaakt door de geladen deeltjes kan worden gevolgd, werden gebruikt om direct in de richting van de nieuw ontdekte grot te kijken.

Het elektronische signaal van die detectoren werd via een 3G-datalink rechtstreeks naar Parijs teruggebeld. Natuurlijk is een piramide met drie bekende grotten en een grote holle galerij binnenin een beetje een complex object om een ​​muogram van te maken (het toont alleen licht en donker). Zo vaak moeten deze foto's worden vergeleken met een computersimulatie van de kosmische muonen en de bekende piramide, met wratten en al. In dit geval, een zorgvuldige analyse van de foto's van de drie detectoren en de computersimulatie leverde de ontdekking van een 30 meter lange leegte op, tot nu toe onbekend, binnenkant van de Grote Piramide van Gizeh. Wat een groot succes voor een nieuwe toolkit.

De techniek kan ons nu helpen de gedetailleerde vorm van deze leegte te bestuderen. Hoewel we niets weten over de rol van de structuur, onderzoeksprojecten waarbij wetenschappers met een andere achtergrond betrokken zijn, zouden op deze studie kunnen voortbouwen om ons te helpen meer over de functie ervan te ontdekken.

Het is geweldig om te zien hoe geavanceerde deeltjesfysica ons kan helpen licht te werpen op de oudste menselijke cultuur. Misschien zijn we getuige van het begin van een revolutie in de wetenschap - waardoor het echt interdisciplinair wordt.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.