Partikelfysikere opdager mystisk struktur i Great Pyramid - her er hvordan de gjorde det

Partikelfysikere har afsløret en stor, skjult tomrum i Khufus pyramide, den største pyramide i Giza, Egypten - bygget mellem 2600 og 2500 f.Kr. Opdagelsen, udgivet i Natur , blev lavet ved hjælp af kosmisk strålebaseret billeddannelse og kan hjælpe forskere med at finde ud af, hvordan den gådefulde pyramide faktisk blev konstrueret.

Teknologien fungerer ved at spore partikler kaldet muoner. De ligner meget elektroner - har samme ladning og en kvanteegenskab kaldet spin - men er 207 gange tungere. Denne forskel i masse er ganske vigtig, da det viser sig, at den bestemmer, hvordan disse partikler interagerer, når de rammer stof.

Meget energiske elektroner udsender elektromagnetisk stråling, såsom røntgenstråler, når de rammer fast stof - får dem til at miste energi og sidder fast i målmaterialet. På grund af muonens meget højere masse, denne emission af elektromagnetisk stråling undertrykkes med en faktor 207 i kvadrat i forhold til elektroner. Som resultat, muoner stoppes ikke så hurtigt af noget materiale, de er meget gennemtrængende.

Muoner produceres almindeligvis i kosmiske stråler. Jordens øvre atmosfære bliver konstant bombarderet med ladede partikler fra solen, men også fra kilder uden for vores solsystem. Det er sidstnævnte, der giver de mere energiske kosmiske stråler, der kan producere muoner og andre partikler i en kæde af reaktioner.

Da muoner har en relativt lang levetid og er ret stabile, de er de mest talrige partikler set fra kosmiske stråler på jorden. Og selvom der går meget energi tabt på vejen, muoner med meget høje energier forekommer.

At lave videnskab med muoner

Partiklerne er ret lette at opdage. De producerer et tyndt spor af "ionisering" langs den vej, de går - hvilket betyder, at de slår elektroner fra atomer, forlader atomerne ladede. Dette er ganske praktisk, tillader forskere, der bruger flere detektorer, at følge muonens vej tilbage til dens oprindelse. Også, hvis der er meget materiale i vejen for muonen, det kan miste al sin energi og stoppe i materialet og henfalde (opdelt i andre partikler), før det opdages.

Disse egenskaber gør muoner til store kandidater til at tage billeder af objekter, der ellers er uigennemtrængelige eller umulige at observere. Ligesom knogler producerer en skygge på en fotografisk film udsat for røntgenstråler, en tung og tæt genstand med et højt atomnummer vil producere en skygge eller en reduktion i antallet af muoner, der kan passere gennem dette objekt.

Første gang muoner blev brugt på denne måde var i 1955, da E. P. George målte overbelastningen af ​​sten over en tunnel ved at sammenligne muonstrømmen uden for og inden i den nævnte tunnel. Det første kendte forsøg på at tage et bevidst "muogram" skete i 1970, da Luis W. Alvarez ledte efter udvidede huler i den anden pyramide i Giza, men fandt ingen.

Inden for det sidste årti eller deromkring, muon tomografi har oplevet lidt af et nyt løft. I 2007, et japansk samarbejde tog et muogram af krateret på vulkanen Mt Asama for at undersøge dets indre struktur.

Muon -scanninger bruges også til at undersøge resterne af reaktoren i Fukushima. I Storbritannien, University of Sheffield foreslår at bruge målinger af muon -fluxen til at overvåge kulstoflagringssteder.

Udforskning af Khufu

Den nemmeste måde at bruge muoner til at undersøge store objekter såsom en pyramide er at lede efter forskelle i muonstrømmen, der kommer igennem den. En solid pyramide ville efterlade en skygge eller en reduktion i antallet af muoner i den retning. Hvis der er et stort hulrum inde i pyramiden, ville muon -strømmen øges i retning af dette hulrum. Jo større forskel mellem "fast" og "hul" jo lettere bliver det.

Alt du skal gøre er at sidde et sted nær jorden, kig lidt opad fra horisonten mod pyramiden og tæl antallet af muoner, der kommer fra alle retninger. Da kosmiske muoner skal være noget energiske for at passere gennem en hel pyramide, og da vores detektor "øjne" er relativt små, vi skal sidde der og tælle et stykke tid, typisk flere måneder for at tælle nok muoner. På samme måde som vi har to øjne til at få et 3D-billede af verden i vores hjerner, vi ønsker to separate detektor "øjne" for at få et 3-D billede af tomrummet inde i pyramiden.

Det interessante ved dette teams tilgang er, at de har valgt tre forskellige detektorteknologier til at undersøge pyramiden. Den første er lidt gammeldags, men tilbyder en høj opløsning af det resulterende billede:fotografiske plader, der bliver sorte ved ioniseringen. Disse blev efterladt i flere måneder inde i et af de kendte kamre i pyramiden og analyseret i Japan, efter at datatagningen var færdig.

Til den anden metode blev der anvendt plastiske "scintillatorer", der frembringer et lysglimt, når en ladet partikel passerer gennem dem. Denne slags detektorer bruges i flere moderne neutrinoeksperimenter.

Og til sidst kamre fyldt med gas, hvor ioniseringen forårsaget af de ladede partikler kan overvåges, blev brugt til at se direkte i retning af den nyopdagede hul.

Detektors elektroniske signal blev direkte ringet tilbage til Paris via et 3G -datalink. Selvfølgelig er en pyramide med tre kendte huler og et stort hule galleri indeni lidt af et komplekst objekt at tage et muogram af (det viser kun lys og mørke). Så ofte skal disse billeder sammenlignes med en computersimulering af de kosmiske muoner og den kendte pyramide, med vorter og det hele. I dette tilfælde, en omhyggelig analyse af billederne af de tre detektorer og computersimuleringen gav opdagelsen af ​​et 30 meter langt hulrum, indtil nu ukendt, inde i den store pyramide i Giza. Hvilken stor succes for et nyt værktøjskasse.

Teknikken kan nu hjælpe os med at studere den detaljerede form af dette tomrum. Selvom vi ikke ved noget om strukturens rolle, forskningsprojekter, der involverer forskere fra andre baggrunde, kunne bygge videre på denne undersøgelse for at hjælpe os med at opdage mere om dens funktion.

Det er dejligt at se, hvordan banebrydende partikelfysik kan hjælpe os med at kaste lys over den ældste menneskelige kultur. Måske er vi vidne til begyndelsen på en revolution inden for videnskaben - hvilket gør den virkelig tværfaglig.

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.