В середине 1960-х у лауреата Нобелевской премии Луиса Альвареса появилась безумная идея. Он предложил использовать мюоны — субатомные частицы с большой проникающей способностью, создаваемые при попадании космических лучей в атмосферу Земли — для поиска скрытых камер в одной из пирамид Гизы.

Мюоны — это тяжеловесные родственники электронов, перемещающиеся почти со скоростью света. Они могут проникать сквозь множество метров сплошной каменной породы, в том числе известняковых и гранитных блоков, которые использовали в строительстве пирамид. Однако некоторые из этих мюонов будут поглощены этим плотным материалом, то есть, по сути, их можно использовать для «рентгенографии» пирамиды, обнаруживающей её внутреннюю структуру. В 1968 году Альварес и его коллеги начали проводить мюонные измерения из камеры, находящейся в основании пирамиды Хефрена.

Они не нашли никаких спрятанных камер, зато подтвердили возможность использования техники, которую назвали мюонной томографией. С тех пор физики успели использовать её для обнаружения скрытых входных шахт над туннелями, изучения магматических бассейнов в вулканах и даже для проверки повреждённых реакторов Фукусимы. А в 2017 году благодаря мюонным измерениям наконец-то обнаружили скрытую камеру в одной из пирамид Гизы.

Вы тоже можете выполнять похожие эксперименты при помощи оборудования, которое можно изготовить всего примерно за 100$.

Хотя уже существуют хорошо задокументированные конструкции недорогих мюонных детекторов (в частности, проект Cosmic Watch Массачусетского технологического института), я решил создать простое и чуть более дешёвое устройство. Я купил два комплекта счётчика Гейгера по цене всего 23$ за штуку. Хоть он и называется «комплектом», на самом деле эта плата продаётся полностью в сборе, за исключением ключевого компонента: трубки Гейгера-Мюллера (ГМ), обнаруживающей ионизирующую радиацию. Также у устройства отсутствовала документация.

Отсутствие документации не стало проблемой, потому что я нашёл хороший источник информации об этой плате, в том числе и ссылку на полезные инструкции о том, как настроить напряжение анода трубки.

В качестве ГМ-трубок я решил использовать считающиеся лучшими российские трубки СБМ-20. Многие из таких трубок продаются на eBay продавцами из Украины, но мне удалось найти парочку таких трубок у поставщиков из США всего за 49$.

«Почему два комплекта и две трубки?» — можете спросить вы. Это связано с тем, что ГМ-трубки реагируют не только на мюоны. Чаще всего они срабатывают на ионизирующие частицы, испускаемые радиоактивными веществами окружающей среды, например продуктами распада радона в воздухе.

Однако отличить высокоэнергетичные мюоны космических лучей от частиц с низкой энергией не так сложно. Достаточно применить так называемый метод совпадений: детектировать только случаи, когда две соседние трубки реагируют практически одновременно; это означает, что через обе трубки прошла одна и та же частица. Трубки в моём устройстве разделены 25-миллиметровыми прокладками, что снижает вероятность прохождения через обе трубки частицы, испущенной произошедшим поблизости радиоактивным распадом. Я ещё больше снизил эту вероятность, поместив между трубками слой свинцовой пластины для изготовления рыбацких грузил.

Чтобы превратить пару счётчиков Гейгера в детектор совпадений, я подключил вывод каждой платы (со странной маркировкой VIN, обычно обозначающей контакт для подачи входного напряжения!) к свободной Arduino Nano, запрограммированной фиксировать попадание, только если две платы регистрируют его в пределах миллисекунды. Естественно, это означает, что детектор может распознавать только те мюоны, траектории которых приблизительно совпадают с плоскостью, на которой находятся обе ГМ-трубки.

Трубки Гейгера-Мюллера активируются ионизирующей радиацией, но, в отличие от мюонов космических лучей (красные частицы), большинство наземных источников (зелёные частицы) недостаточно мощные, чтобы пролететь через обе трубки детектора. Благодаря тому, что мы регистрируем только те активации, которые происходят практически одновременно, можно составить график потока мюонов как функцию от угла от вертикали. Наблюдаемые данные очень близки к прогнозируемой модели.

Убедиться, что результаты действительно отражают поток мюонов, было несложно: я просто замерил частоту регистраций как функцию отклонения детектора от вертикали. Поток космических мюонов, падающих по вертикали с неба, выше, чем поток горизонтально перемещающихся мюонов. Между этими крайними положениями поток должен иметь квадратично-синусоидальную зависимость от поворота плоскости детектора.

Я размещал устройство под разными углами от вертикали и не менее чем 12 часов фиксировал частоту регистраций. Результаты достаточно чётко следовали ожидаемым колебаниям. Например, при полностью горизонтальном положении детектор регистрировал значение в десять с лишним раз меньшее, чем полученное при вертикальном положении, но нулевым оно не было.

Регистрация ненулевых значений потока мюонов даже в горизонтальном положении не особо удивляет. Между двумя трубками диаметром 1 см есть расстояние всего в 2,5 см, поэтому угловое разрешение детектора достаточно широкое (±22 градусов). То есть даже если мы установим устройство для фиксации только горизонтального потока, оно совершенно точно будет детектировать мюоны, падающие под углом до 22 градусов относительно горизонта.

Собрав работоспособный детектор мюонов, я решил исследовать Землю (или, по крайней мере, малую её часть), приехав в золотой рудник Рида в Мидленде, штат Северная Каролина — первый коммерческий золотой рудник в США. Я провёл в шахте примерно два с половиной часа, проведя пять замеров по 30 минут. Мне удалось с лёгкостью обнаружить всё более утолщающийся слой породы над основным горизонтальным туннелем шахты. В одной точке мой детектор даже смог определить наличие вертикального ствола, так как отсутствие скальной породы позволило попасть в прибор большему количеству мюонов.

Эти замеры требовали много времени, потому что для обеспечения достаточной статистической точности нужно много регистраций. Для этого требуется терпение. Но это неплохой способ воспользоваться силой космоса даже глубоко под землёй!