دیدن درون سرب با میون‌های ساخت لیزر
میون عموزادهٔ سنگین الکترون است. به لطف جرم بسیار بیشترش، هنگام عبور از ماده انرژی کمی از دست می‌دهد و می‌تواند از ضخامت‌های عظیمی از سنگ یا فلز بگذرد.
این پایهٔ میون‌نگاری است: گرفتن «عکس رادیولوژی» از اجسام عظیم یا چگال با میون‌ها. این روش در ۲۰۱۷ حفره‌ای بزرگ درون هرم خوفو را آشکار کرد و برای کاوش آتشفشان‌هایی مانند آساما و اتنا، معادن، تونل‌های راه‌آهن، یخچال‌های طبیعی و کانتینرهای باری به کار رفته است.
محدودیت میون‌های آسمانی
تا کنون، میون‌نگاری تنها به میون‌های کیهانی تکیه داشته است که به‌طور طبیعی هنگام برخورد پرتوهای کیهانی با جو تولید می‌شوند. شار آن‌ها کم است — حدود یک میون در هر سانتی‌متر مربع در ثانیه — بنابراین زمان نوردهی طولانی است. بیشترشان از بالا می‌آیند و هیچ‌کس انرژی یا جهتشان را کنترل نمی‌کند.
راه جایگزین: ساختن یک باریکهٔ مصنوعی میون با لیزر. «شتاب‌دهی میدان دنباله‌ای لیزری» (laser wakefield acceleration) می‌تواند الکترون‌ها را در طول چند سانتی‌متر گاز تا حدود ۱۰ گیگاالکترون‌ولت شتاب دهد. وقتی این الکترون‌ها به یک هدف جامد برخورد می‌کنند، میون تولید می‌کنند. میون‌های ساخت لیزر نخستین بار در ۲۰۲۵، در شانگهای و در لیزر BELLA در برکلی تأیید شدند — اما تنها به‌طور غیرمستقیم آشکار شدند.
آزمایش
این کار در ELI-NP (Extreme Light Infrastructure – Nuclear Physics) در شهر مگوره‌لهٔ رومانی و با بازوی لیزری ۱۰ پتاواتی آن انجام شد: ۲۳۰ ژول در ۲۳ فمتوثانیه، و حداکثر یک شلیک در دقیقه. در این کارزار ۲۳۰ شلیک به کار رفت.
- یک هدف گازی ۶۰ میلی‌متری الکترون‌هایی تا ۸ گیگاالکترون‌ولت تولید کرد.
- این الکترون‌ها به بلوکی از سرب به ابعاد ۴۰ × ۴۰ × ۵۰ سانتی‌متر برخورد کردند. در آن‌جا پرتوهای گاما جفت‌های میون–پادمیون پدید آوردند (فرایند بته–هایتلر).
- حفاظی سنگین — ۱۰۰ سانتی‌متر پلی‌اتیلن، ۶۰ سانتی‌متر پارافین، سرب، و دیواری ۲ متری از بتن مسلح — نوترون‌ها و پرتوهای گامای ناخواسته را متوقف کرد.
- سه آشکارساز ساخته‌شده برای میون‌نگاری باریکه را ثبت کردند. یکی از آن‌ها، µ36، روی یک ون نصب شد و تا فاصله‌های ۲۰، ۲۹ و ۴۲ متری از منبع، و تا ۶ متر به سمت کنار، برده شد.
- شبیه‌سازی‌های دقیق مونت‌کارلو (GEANT4) کل چیدمان را، شلیک به شلیک و بر پایهٔ طیف‌های اندازه‌گیری‌شدهٔ الکترون، بازتولید کردند.
آنچه اندازه گرفتند
- نیم‌رخ باریکه: قله‌ای در مرکز محور، با پهنای ۴٫۵۱ متر (در نیم‌ارتفاع) در فاصلهٔ ۲۰ متری و ۶٫۳۵ متر در ۲۹ متری — زاویهٔ گشودگی حدود ۱۲٫۶ درجه. شبیه‌سازی‌ها ۴٫۴۳ متر و ۶٫۲۷ متر به دست می‌دهند.
- در ۲۰ متری، ۸۶٫۹ درصد انرژیِ نهشته‌شده در آشکارساز از میون‌ها می‌آید، با آنکه ذرات ناخواسته پرشمارترند.
- انرژی میون‌ها: چند گیگاالکترون‌ولت، تا ۶ یا ۷. میون‌ها برای رسیدن به آشکارسازها دست‌کم به ۱٫۵ گیگاالکترون‌ولت نیاز دارند.
- تصویر: جسمی سربی به ابعاد ۲۰ × ۲۵ × ۱۰۰ سانتی‌متر، که در فاصلهٔ ۲۳ متری منبع قرار داشت، طی ۳۰ شلیک لیزری تصویربرداری شد. اندازهٔ بازسازی‌شده‌اش: ۲۲٫۵ تا ۲۵ سانتی‌متر — ضخامت واقعی جسم ۲۵ سانتی‌متر است. سیگنال پشت آن حدود ۲۶ درصد افت می‌کند. تفکیک‌پذیری: ۲٫۵ سانتی‌متر، یعنی پهنای یک میلهٔ آشکارساز.
- در شبیه‌سازی، بدون میون‌ها، پرتوهای گاما و نوترون‌ها این تصویر را پدید نمی‌آورند، بلکه تنها یک زمینهٔ یکنواخت می‌سازند.
فراتر از میون‌های آسمانی
به گفتهٔ نویسندگان، این نخستین تصویربرداری است که باریکهٔ میون مصنوعیِ لیزری بر آن غالب است. یک منبع مصنوعی شار قوی‌تر و کنترل جهت و انرژی را به ارمغان می‌آورد — دیگر نیازی به انتظار برای آسمان نیست. این منبع می‌تواند در طیف‌سنجی اسپین میون و مطالعات نوترینو نیز به کار آید. کارزارهای بعدی انرژی‌های بالاتر الکترون و آشکارسازهایی ساخته‌شده برای شارهای بالا را هدف گرفته‌اند.