Мюоны помогут раскрыть загадки древних артефактов

Заглянуть внутрь различных природных или архитектурных объектов, куда невозможно попасть обычным путем, позволят оригинальные пластиковые пленки. Российские ученые смогли уловить потоки особых частиц (мюонов), которые способны проходить сквозь пространство, меняя траекторию движения в зависимости от препятствий на их пути. После изучения пленок со следами мюонов становится понятна внутренняя конфигурация объектов.

 Новый метод используют при исследовании старинного храма в дагестанском Дербенте. Сооружение находится под землей в аварийном состоянии. Есть версия, что это самое древнее культовое христианское сооружение на территории страны. Благодаря меньшей стоимости российская разработка может потеснить на мировом рынке японские аналоги.

Мюоны — одна из разновидностей космических частиц, которые в 206 раз превышают по массе электроны и отличаются небольшим временем жизни, составляющим всего 2,2 микросекунды.

Свойство космических частиц задерживаться из-за различных препятствий в строениях или природных объектах открывает возможности изучения их внутренней структуры. Эту особенность ученые НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ и Физического института им. П.Н. Лебедева РАН использовали при создании метода, предполагающего применение специальных пластин, способных реагировать на пролетающие через них мюоны. При этом в качестве чувствительного к попаданию частиц материала было решено использовать ядерную эмульсию, которую производит российская компания. 

— Разработка представляет собой пластиковую пленку с нанесенными на нее слоями ядерной эмульсии — это очень высокочувствительный материал, похожий на желеобразную массу, состоящую из желатина и серебра, — рассказала Юлия Березкина, руководитель ХСП «Микрон» (входит в АО «Компания Славич» — разработчик эмульсии). — При прохождении через нее частицы оставляют в структуре материала свои следы (так называемые треки), по количеству и направленности которых ученые могут судить о характеристиках изучаемых объектов.

Одно из главных преимуществ разработанного способа мюонной томографии — простота использования в полевых условиях.

— Блок из нескольких готовых пластин необходимо установить перед изучаемой областью (например, участком стены, за которым, возможно, находится другое помещение) таким образом, чтобы проходящие через нее лучи попадали на поверхность пленки, — пояснил «Известиям» старший научный сотрудник лаборатории теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия и переноса излучений в различных средах Александр Манагадзе. — При этом детализацию и площадь исследованного пространства можно настроить, изменив расстояние между пластинами и объектом.

После установки детектора его оставляют в покое на несколько месяцев, а затем отправляют использованные пленки на дальнейшую обработку, в рамках которой происходит процесс проявки. На финальном этапе исследования их поверхности сканируют с помощью высокоскоростных микроскопов, которые передают полученную информацию в компьютерную систему для последующей обработки и преобразования в изображение изучаемого объекта.

— Преимуществом нашего способа мюонной томографии является то, что он, в отличие от аппаратных методов, не требует использования громоздкого оборудования. Кроме того, полученные с его помощью снимки имеют в десятки раз большее разрешение, что позволяет рассматривать на них более мелкие объекты, — добавил эксперт.

Испытания детектирующих пластин были проведены в Обнинске (Калужская область), где с их помощью была успешно исследована местная геофизическая шахта. В результате опыта реальные геометрические параметры шахты полностью совпали с изображением, полученным с помощью анализа пленок, что подтвердило эффективность практического использования пластин.

В настоящее время единственной альтернативой отечественным материалам для мюонной томографии являются аналоги японского производства. Однако, по словам ученых, российская разработка будет в несколько раз доступнее по цене при сопоставимых характеристиках (сама цена пока не раскрывается). Кроме того, японские производители поставляют свою продукцию только при условии контроля ее дальнейшего использования.

После выхода российских материалов на международный рынок, их низкая цена и отсутствие ограничений по применяемости, могут стать значимыми конкурентными преимуществами по отношению к продукции из Страны восходящего солнца.

Сейчас с помощью японских пластин проводятся, в частности, исследования египетских пирамид, направленные на поиск скрытых помещений. Согласно мнению некоторых археологов, обнаружение «тайных» комнат в будущем может привести к новым научным открытиям и обретению древних артефактов.

Сейчас российская разработка активно задействуется в археологическом исследовании древнего строения в Дербенте, которое полностью скрыто под землей. По итогам изучения может быть поставлена точка в вопросе его изначального предназначения — оно вызывает множество споров в научной среде.

Археологи установили, что крестообразный объект на территории крепости Нарын-кала ранее использовался в качестве хранилища питьевой воды. Однако многие ученые считают, что первоначально он был построен как христианский храм.

— К сожалению, с помощью раскопок эту версию проверить не удалось ввиду опасности обрушения, — пояснил директор Института экологии и устойчивого развития Дагестанского государственного университета Алимурад Гаджиев. — В данных условиях мюонная томография оказалась оптимальным способом исследования, результаты которого могут указать на возможное наличие в стенах здания замурованных дверей (они должны отличаться по плотности от основного материала), а также дать информацию о дополнительных помещениях, которые могут находиться за границами исследованной области. В конечном итоге это должно помочь нам установить первоначальное назначение объекта.

Измерения в древнем строении проводились с помощью пяти детекторов, четыре из которых были направлены по изучаемому периметру, а пятый предназначался для исследования купольной части. Важно отметить, что каждый из использованных детекторов составлялся из девяти стопок пластин площадью 10х12 см, что обеспечило ученым достаточно широкий обзор подземного пространства. При этом каждая стопка включала в себя по четыре пластины.

— Составная структура детектора обусловлена тем, что пластины стандартных размеров проще производить, а использование нескольких слоев пленки позволяет увеличить общую толщину нанесенной на нее ядерной эмульсии. Это делает возможным более тщательное отслеживание траекторий космических частиц, — пояснил Александр Манагадзе.

В настоящее время использовавшиеся в Дербенте пленки уже проходят стадию лабораторного изучения. По словам археологов, при появлении доказательств того, что строение имело культовое назначение, оно будет признано самым древним христианским храмом на территории России, возраст которого может составить около полутора тысяч лет.