Deeltjesfysici hebben een grote, verborgen leegte gevonden in de Khufu-piramide, de grootste piramide in Gizeh, Egypte, gebouwd tussen 2600 en 2500 voor Christus. De ontdekking, die in Nature werd gepost, werd gedaan met behulp van kosmische straling en zou wetenschappers kunnen helpen erachter te komen hoe de mysterieuze piramide eigenlijk is gebouwd.
Hun technologie is gebaseerd op het volgen van deeltjes die muonen worden genoemd. Ze lijken erg op elektronen - met dezelfde lading en kwantumeigenschap die spin wordt genoemd - maar 207 keer zwaarder. Dit verschil in massa is belangrijk omdat het bepaalt hoe deze deeltjes op elkaar inwerken wanneer ze met materie botsen.
Hoogenergetische elektronen zenden elektromagnetische straling uit, zoals röntgenstralen, wanneer ze in botsing komen met een vaste stof, waardoor ze energie verliezen en erin vast komen te zitten. Omdat de muonmassa veel hoger is, wordt de emissie van elektromagnetische straling 207 keer onderdrukt in vergelijking met elektronen. Daarom stoppen muonen niet zo snel wanneer ze met een substantie in botsing komen - ze dringen er perfect doorheen.
Muonen worden meestal geboren in kosmische straling. De bovenste atmosfeer van de aarde wordt constant gebombardeerd met geladen deeltjes van de zon en andere bronnen buiten ons zonnestelsel. Het zijn de laatstgenoemden die hoogenergetische kosmische straling leveren die muonen en andere deeltjes kan genereren in een reeks reacties.
Omdat muonen een relatief lange levensduur hebben en redelijk stabiel zijn, zijn ze de meest voorkomende deeltjes in kosmische straling die op grondniveau worden waargenomen. En hoewel er onderweg veel energie verloren gaat, zien we soms muonen met een zeer hoge energie-index.
Muons in dienst van de wetenschap
Promotie video:
Deze deeltjes zijn vrij gemakkelijk te detecteren. Ze laten een dun spoor van "ionisatie" achter op hun pad - dat wil zeggen, ze slaan elektronen uit atomen, waardoor de atomen geladen blijven. Dit is erg handig: wetenschappers kunnen meerdere detectoren gebruiken om het pad van een muon naar de bron van oorsprong te traceren. Bovendien, als er veel materie op de weg van een muon is, kan het alle energie verliezen, vast komen te zitten in materie en vervallen (scheiden in andere deeltjes) voordat het direct wordt gedetecteerd.
Deze eigenschappen maken muonen uitstekende kandidaten voor het fotograferen van objecten die over het algemeen ondoorzichtig of ondoorzichtig zijn volgens onze gebruikelijke observatiemethoden. Net zoals botten een schaduw achterlaten op fotografische film wanneer ze worden blootgesteld aan röntgenstralen, zal een zwaar en dicht object met een hoog atoomnummer een schaduw creëren of het aantal muonen verminderen dat door dat object kan gaan.
Muonen werden voor het eerst op deze manier gebruikt in 1955, toen E. P. George de bovenlaag van rotsen boven de tunnel mat, waarbij de muonflux buiten en binnen werd vergeleken. De eerste bekende poging om een "muogram" te maken vond plaats in 1970 toen Luis Alvarez op zoek ging naar verwijde grotten in de tweede piramide van Gizeh, maar die er niet vond.
De muontomografie heeft de afgelopen tien jaar een tweede wind gevonden. In 2007 maakten de Japanners een muogram van de Asama-vulkaankrater om de interne structuur ervan te bestuderen.
Muon-scans zijn ook gebruikt om de overblijfselen van de Fukushima-reactor te onderzoeken.
Khufu verkennen
De gemakkelijkste manier om een groot object zoals een piramide te bestuderen met muonen, is door te kijken naar de verschillen in de muonflux die er doorheen gaat. Een solide piramide laat een schaduw achter of vermindert het aantal muonen dat er doorheen gaat. Als er een grote leegte in de piramide is, zal de muonflux langs deze leegte toenemen. Hoe groter het verschil tussen 'massief' en 'hol', hoe gemakkelijker het is om het te vinden.
Het enige wat je hoeft te doen is ergens in de buurt gaan zitten, een beetje omhoog kijken vanaf de horizon richting de piramide en het aantal muonen tellen dat uit alle richtingen komt. Omdat kosmische muonen energiek moeten zijn om door een hele piramide te reizen, en omdat onze "ogen" relatief klein zijn, zullen we een tijdje moeten zitten en tellen, meestal een paar maanden, om genoeg muonen te tellen. Op dezelfde manier waarop we twee ogen gebruiken om een driedimensionaal beeld van de wereld in ons hoofd samen te stellen, hebben we twee afzonderlijke ‘oogdetectoren’ nodig om een driedimensionaal 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 verkennen. De eerste is wat ouderwets, maar biedt een hogere resolutie van het resulterende beeld: fotografische platen die zwart zijn geworden door ionisatie. Ze werden enkele maanden in een van de beroemde piramidekamers achtergelaten en na het verzamelen van gegevens in Japan geanalyseerd.
De tweede methode gebruikte plastic "scintillatoren" die een lichtflits produceren wanneer een geladen deeltje er doorheen gaat. Dit soort detectoren worden gebruikt in verschillende moderne neutrino-experimenten.
Ten slotte werden kamers gevuld met gas, waarin ionisatie veroorzaakt door geladen deeltjes kan worden gecontroleerd, gebruikt om de nieuw ontdekte leegte direct te bekijken.
Het elektronische signaal van deze detectoren werd via 3G rechtstreeks naar Parijs gestuurd. Natuurlijk is een piramide met drie bekende holtes en een gigantische lege galerij binnenin een vrij complex object voor een muogram (het toont alleen wit en zwart). Daarom moeten deze beelden vaak worden vergeleken met computersimulaties van kosmische muonen en de bestudeerde piramide, parallel. Zorgvuldige analyse van beelden van alle drie de detectoren en een computermodel onthulde een leegte van 30 meter, die tot nu toe onbekend is gebleven, in de Grote Piramide van Gizeh. Een geweldig succes voor de nieuwe toolkit.
Nu kan deze methode ons helpen de gedetailleerde vorm van deze leegte te onderzoeken. Hoewel we niets weten over de rol van deze structuur, kunnen onderzoeksprojecten waarbij wetenschappers uit andere disciplines betrokken zijn, gebaseerd zijn op nieuw onderzoek. Het is geweldig om te zien hoe de allernieuwste deeltjesfysica ons helpt licht te werpen op de oudste menselijke cultuur.
Ilya Khel
