MIT LASERERZEUGTEN MYONEN DURCH BLEI SEHEN

Das Myon ist ein schwerer Verwandter des Elektrons. Dank seiner viel größeren Masse verliert es beim Durchqueren von Materie wenig Energie und kann enorme Dicken von Gestein oder Metall durchdringen.

Darauf beruht die Myografie: „Röntgenbilder“ riesiger oder dichter Objekte mit Myonen. Sie enthüllte 2017 einen großen Hohlraum in der Cheops-Pyramide und wurde genutzt, um Vulkane wie den Asama und den Ätna, Bergwerke, Eisenbahntunnel, Gletscher und Frachtcontainer zu durchleuchten.

Die Grenze der Himmelsmyonen

Bisher stützte sich die Myografie ausschließlich auf kosmische Myonen, die natürlich entstehen, wenn kosmische Strahlung auf die Atmosphäre trifft. Ihr Fluss ist gering — etwa ein Myon pro Quadratzentimeter und Sekunde —, daher sind die Belichtungszeiten lang. Sie kommen meist von oben, und niemand kontrolliert ihre Energie oder Richtung.

Die Alternative: einen künstlichen Myonenstrahl mit einem Laser erzeugen. Die „Laser-Kielfeldbeschleunigung“ (laser wakefield acceleration) kann Elektronen auf wenigen Zentimetern Gas auf etwa 10 GeV bringen. Treffen diese Elektronen auf ein festes Target, erzeugen sie Myonen. Lasererzeugte Myonen wurden 2025 erstmals bestätigt, in Shanghai und am BELLA-Laser in Berkeley — aber nur indirekt nachgewiesen.

Das Experiment

Die Arbeit wurde an ELI-NP (Extreme Light Infrastructure – Nuclear Physics) in Măgurele, Rumänien, durchgeführt, mit dessen 10-Petawatt-Laserarm: 230 Joule in 23 Femtosekunden, höchstens ein Schuss pro Minute. Die Messkampagne nutzte 230 Schüsse.

• Ein 60 mm langes Gastarget erzeugte Elektronen von bis zu 8 GeV.
• Sie trafen auf einen Bleiblock von 40 × 40 × 50 cm. Dort erzeugten Gammastrahlen Myon-Antimyon-Paare (Bethe-Heitler-Prozess).
• Eine schwere Abschirmung — 100 cm Polyethylen, 60 cm Paraffin, Blei und eine 2 Meter dicke Stahlbetonwand — hielt die unerwünschten Neutronen und Gammastrahlen auf.
• Drei für die Myografie gebaute Detektoren zeichneten den Strahl auf. Einer davon, µ36, war in einem Transporter montiert und wurde in 20, 29 und 42 Metern Abstand von der Quelle sowie bis zu 6 Meter seitlich aufgestellt.
• Detaillierte Monte-Carlo-Simulationen (GEANT4) bildeten den gesamten Aufbau Schuss für Schuss nach, ausgehend von den gemessenen Elektronenspektren.

Was sie maßen

• Strahlprofil: ein auf der Achse zentrierter Peak, 4,51 m breit (auf halber Höhe) bei 20 m und 6,35 m bei 29 m — ein Öffnungswinkel von etwa 12,6°. Die Simulationen ergeben 4,43 m und 6,27 m.
• Bei 20 m stammen 86,9 % der im Detektor deponierten Energie von Myonen, obwohl die unerwünschten Teilchen zahlreicher sind.
• Myonenenergie: einige GeV, bis zu 6–7. Myonen brauchen mindestens 1,5 GeV, um die Detektoren zu erreichen.
• Bild: Ein Bleiobjekt von 20 × 25 × 100 cm, 23 m von der Quelle entfernt aufgestellt, wurde mit 30 Laserschüssen abgebildet. Seine rekonstruierte Größe: 22,5–25 cm — das echte Objekt ist 25 cm dick. Das Signal dahinter sinkt um etwa 26 %. Auflösung: 2,5 cm, die Breite eines Detektorstabs.
• In der Simulation erzeugen die Gammastrahlen und Neutronen ohne die Myonen dieses Bild nicht, sondern nur einen flachen Untergrund.

Jenseits der Himmelsmyonen

Laut den Autoren ist dies die erste Bildgebung, die von einem künstlichen, lasergetriebenen Myonenstrahl dominiert wird. Eine künstliche Quelle bietet einen stärkeren Fluss sowie Kontrolle über Richtung und Energie — kein Warten mehr auf den Himmel. Sie könnte auch der Myonen-Spin-Spektroskopie und Neutrinostudien dienen. Die nächsten Kampagnen zielen auf höhere Elektronenenergien und auf Detektoren, die für hohe Flüsse gebaut sind.