Keine Abschirmung: Rumänisches Team durchleuchtet Bleiblock mit künstlichen Myonen

Myonen gehören zu den durchdringendsten Teilchen, die Physiker:innen routinemäßig messen. Sie entstehen, wenn kosmische Strahlung auf die Atmosphäre trifft, und sie durchqueren auf ihrem Weg zum Boden Beton, Stahl und mehrere hundert Meter Fels. Die Muografie nutzt diese Eigenschaft: Sie misst, wie stark ein Objekt den Myonenstrom abschwächt, und berechnet daraus die Dichte im Inneren. Der Haken liegt in der Quelle. Der natürliche Myonenstrom ist schwach, und wer damit arbeitet, kann ihn weder bündeln noch lenken. Aufnahmen dauern deshalb oft sehr lange. Ein Forschungsteam in Rumänien hat nun gezeigt, dass ein Laser diese Quelle ersetzen kann.

Vom Laserpuls zum Myonenstrahl

Das Team vom Horia Hulubei National Institute for R&D in Physics and Nuclear Engineering und von der Extreme Light Infrastructure – Nuclear Physics (ELI-NP) nutzte dafür einen 10-Petawatt-Laser. Ein extrem kurzer Puls traf auf ein 60 Millimeter langes Gastarget und beschleunigte Elektronen auf mehrere Gigaelektronenvolt. Diese Elektronen schlugen in einen 40 Zentimeter dicken Bleikonverter. Dort entstanden energiereiche Photonen, aus denen Myon-Antimyon-Paare hervorgingen. Hinter dem Konverter stand eine massive Abschirmung aus Polyethylen, Paraffin, weiterem Blei und einer 2 Meter dicken Stahlbetonwand. Sie hielt vor allem Neutronen und Gammastrahlung zurück.

Myonen dominieren das Detektorsignal

Drei Szintillatordetektoren, die ursprünglich für die Muografie entwickelt wurden, registrierten die Teilchen hinter der Wand. Ein mobiler Detektor stand in 20, 29 und 42 Metern Abstand zum Konverter. Die Messung zeigte einen klar nach vorn gerichteten Strahl mit einer Öffnung von rund 12,6 Grad. Anschließend verglichen die Forscher:innen ihre Daten mit Geant4-Simulationen, die auf den gemessenen Elektronenspektren beruhten. Für den Detektor in 20 Metern Entfernung stammten demnach 86,91 Prozent der deponierten Energie von Myonen, die übrigen 13,09 Prozent von anderen Teilchen. Myonen unter 1,5 Gigaelektronenvolt erreichen die Detektoren unter diesen Bedingungen gar nicht. Die beobachteten Signale passen zu Myonen mit einigen Gigaelektronenvolt, die bis etwa sechs oder sieben Gigaelektronenvolt reichen.

Der Bleiblock wirft einen Schatten

Für den Bildgebungstest stellte das Team einen Bleikörper mit den Maßen 20 mal 25 mal 100 Zentimeter 30 Zentimeter vor den mobilen Detektor. Das Objekt stand 23 Meter vom Konverter entfernt. Die Forscher:innen verglichen 30 aufeinanderfolgende Laserpulse mit und ohne Blei im Strahlweg. In zwei Detektorebenen sank das Signal dort, wo der Block die Szintillatorstäbe abschirmte. Die Abschwächung deckte neun bis zehn Messkanäle von je 2,5 Zentimetern Breite ab. Daraus rekonstruierten die Forscher:innen eine Dicke von 22,5 bis 25 Zentimetern. Der Block misst an seiner dicksten Stelle 25 Zentimeter. Simulationen ohne Myonen konnten dieses Bild nicht reproduzieren, weil Gammaphotonen und Neutronen stärker streuen und weniger Energie im Detektor hinterlassen. Nach Kenntnis des Teams ist dies die erste Bildgebung, bei der ein künstlicher, lasergetriebener Myonenstrahl das Signal dominiert.

Noch ein reiner Labornachweis

Einen praktischen Scanner liefert der Versuch nicht. Der Detektor löst nur 2,5 Zentimeter auf, und Teilchenfluss, Hintergrund, Rauschen und Elektronik beeinflussten die Bildqualität. Er war für einzelne kosmische Myonen gebaut, sein Verhalten bei hohen Teilchenflüssen haben die Forscher:innen noch nicht vollständig charakterisiert. Zudem braucht die Erzeugung eine Hochleistungslaseranlage und umfangreiche Abschirmung. Die Autor:innen wollen als Nächstes höhere Elektronenenergien mit neuen Detektoren kombinieren, die hohe Flüsse verarbeiten und Teilchenarten unterscheiden. Die Arbeit liegt außerdem als Preprint vor und hat noch keine Begutachtung durchlaufen.

via