宇宙線を原子炉に照射することがなぜ良いアイデアなのか

電子は私たちの周囲にある最も一般的な物質の 1 つです。既知の宇宙にあるすべての完全な原子には、少なくとも 1 つは電子が含まれています。しかし、電子にははるかに稀で謎めいた類似物があり、その 1 つがミューオンです。ミューオンについてはあまり考えないかもしれませんが、ミューオンは大気圏の端から絶えず地球の表面に降り注いでいます。

ミューオンは、電子が通過できない広大な岩盤を通り抜けることができる。これは科学者にとって幸運なことだ。科学者は、より捉えにくい粒子を集めて、まるでX線のように物体の画像を描けるのだ。過去数十年間、科学者はミューオンを使って、噴火する火山のベールを突き破ったり、古代の墓の中を覗いたりしてきたが、それは2次元に限られていた。数少ない3次元画像は、小さな物体に限られていた。

それは変わりつつある。サイエンス・アドバンス誌に掲載された論文によると 今日、研究者たちは大きな建物ほどの大きさの原子炉の完全な3Dミューオン画像を作成しました。この成果により、専門家は古い原子炉を検査したり、核廃棄物をチェックしたりするための新しい、より安全な方法を手に入れることができるかもしれません。

「これほど大きな物体の場合、純粋にミューオンを3Dで撮影するのは初めてだと思います」と、フランスのパリ・サクレー大学の原子核物理学者で、この研究論文の著者の一人であるセバスチャン・プロキュルール氏は言う。

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ミューオン画像化は宇宙線の助けを借りてのみ可能です。陽気な名前にもかかわらず、宇宙線のほとんどは、遠くの銀河から地球に降り注いだ水素またはヘリウム原子の核です。宇宙線が大気圏に衝突すると、放射線と亜原子粒子の絶え間ない嵐が吹き荒れます。

雨の中にはミューオンシャワーがある。ミューオンは電子よりも重く、質量は約 206 倍である。また、非常に不安定で、平均すると、各ミューオンの持続時間は 100 万分の 1 秒ほどである。それでも、毎分地球の 1 平方メートルあたりに約 10,000 個の粒子が衝突するのに十分な長さである。

ミューオンは電子より重いため、エネルギーもより強い。半マイル以上の深さにある岩石など、一見すると貫通不可能と思われる場所でも貫通できる。科学者は特別に設計された検出器でミューオンを捕らえ、数えることができる。特定の方向からミューオンが多数衝突することは、その方向に空洞があることを示している可能性がある。

そうすることで、人間が踏み入れることができない空間に関するデータを収集することができます。例えば、2017年に研究者たちはエジプトのギザにあるクフ王のピラミッドの奥深くに隠された空洞を発見しました。 2011年に津波が福島第一原子力発電所を襲った後、科学者はミューオンのおかげで安全な距離から被害状況を測ることができた。物理学者らはまた、ミューオンを使って、核廃棄物の容器を開ける際に漏れるリスクを冒さずにその中身を調べた。

しかし、ミューオン画像を撮影することにはいくつかの欠点がある。まず、物理学者は空から降り注ぐミューオンの数を制御できず、毎日地球に降り注ぐ数百万のミューオンは、全体から見れば実際にはそれほど多くはない。「ミューグラフィでは、1枚の画像を撮影するのに数日かかることがあります」とプロキュラー氏は言う。「十分な数になるまで待たなければなりません。」

通常、ミューオンイメージング装置は、どの方向から何個のミューオンが当たっているかを数える検出器を使ってスナップショットを撮影します。しかし、1 台の装置では、空洞が存在することしかわかりませんが、それがどのくらい離れているかはわかりません。この制限により、ほとんどのミューオン画像は 2 次元に閉じ込められています。つまり、建物の正面をスキャンすると、個々の部屋は見えるかもしれませんが、レイアウトは見えません。空間を詳細に調査したい場合、3 次元がないことは大きな障害となります。

理論的には、ミューオン画像をさまざまな角度から撮影することで、それらをつなぎ合わせて 3D 再構成画像を作成できます。これは、放射線科医が X 線で行っていることです。しかし、さまざまな角度から何百もの X ​​線画像を撮影するのは簡単ですが、ミューオンでこれを行うのははるかに面倒で時間がかかります。

それでも、プロキュルールと彼の同僚たちは挑戦した。問題の場所は、南フランスの原子力発電所兼研究施設であるマルクールの古い原子炉だった。G2と呼ばれるこの原子炉は1950年代に建設された。1980年に原子炉は完全に停止し、それ以来、フランスの原子力当局はゆっくりと建物から部品を撤去してきた。現在、G2の最終的廃止措置の準備を進めており、彼らは内部の構造物の安全性を再度チェックしたいと考えていた。「それで彼らは私たちに連絡してきたのです」とプロキュルールは言う。

科学者らはこれまでにも戦車のような小さな物体の3Dミューオン画像を撮影していたが、小型潜水艦ほどの大きさのコンクリート製の円筒の中にあり、航空機格納庫ほどの大きさの金属壁の建物の中に設置されたG2では、はるかに多くの層と領域を貫通する必要があった。

幸運にも、この円筒にはプロキュア氏と同僚が原子炉の周囲と下部の戦略的な地点にガスを充填した検出器 4 台を設置するのに十分なスペースがありました。検出器を移動させることで、彼らは合計 27 枚の長時間露光ミューオン画像を撮影することができました。各画像を撮影するのに何日もかかりました。

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しかし、プロキュアラー氏によると、難しいのはミューオン検出器の設置や作動させることではなく、その後画像をつなぎ合わせることだったという。このプロセスを開始するために、チームは医療クリニックで解剖学的画像をつなぎ合わせるのに使われるアルゴリズムを採用した。このプロセスは骨の折れるものだったが、彼らは成功した。最終的な画像では、直径約2フィート半の冷却パイプほどの小さな物体を捉えることができた。

「重要なのは、彼らがそれをやったことだ」と、シカゴ郊外のフェルミ国立加速器研究所の物理学者で、この研究には関わっていないアラン・ブロス氏は言う。「彼らは検出器を作り、現場に行き、データを取った…これは本当に大変なことだ」

プロキュアラー氏によると、この取り組みは概念実証に過ぎなかった。何ができるかがわかった今、彼らは新たな課題、つまり他の場所にある核兵器コンテナの画像化に取り組むことを決めた。「精度は大幅に向上するだろう」とプロキュアラー氏は指摘する。

さらに大きな目標がもうすぐ達成されるかもしれない。ギザでは、ブロス氏と彼の同僚数人が大ピラミッドを3次元でスキャンする作業に取り組んでいる。「基本的には同じ技術を使っています」と彼は説明するが、規模ははるかに壮観だ。