为什么向核反应堆发射宇宙射线实际上是一个好主意

电子是我们周围最常见的物质之一——已知宇宙中每个完整的原子至少有一个电子。但电子有更稀有、更神秘的对应物，其中之一就是介子。我们可能很少考虑介子，但它们经常从大气层边缘降落到地球表面。

介子可以穿过电子无法穿过的广阔基岩。这对科学家来说是好运，他们可以收集更难以捉摸的粒子，像 X 射线一样绘制物体图像。在过去的几十年里，他们利用介子穿透喷发的火山面纱，窥视古墓，但仅限于二维。为数不多的三维图像仅限于小物体。

这种情况正在改变。在《科学进展》杂志上发表的一篇论文中 今天，研究人员已经创建了一座大楼大小的核反应堆的全三维μ子图像。这一成果可以为专家提供检查旧反应堆或核废料的全新、更安全的方法。

“我认为，对于如此大的物体，这是第一次进行纯三维μ子成像，”法国巴黎萨克雷大学核物理学家、研究作者之一塞巴斯蒂安·普罗库勒尔 (Sébastien Procureur) 说。

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只有借助宇宙射线才能实现介子成像。尽管宇宙射线有着阳光般的名字，但大多数宇宙射线都是氢原子或氦原子的原子核，从遥远的星系降落到地球。当它们撞击我们的大气层时，它们会爆发出无休止的辐射和亚原子粒子风暴。

雨中是介子雨。介子比电子重，大约重 206 倍。它们也非常不稳定：平均每个介子持续约百万分之一秒。这仍然足以让每分钟约 10,000 个介子撞击地球的每平方米。

由于μ子比电子重，因此它们的能量也更大。它们可以穿透看似无法穿透的东西，例如深达半英里的岩石。科学家可以用专门设计的探测器捕捉这些μ子并进行计数。从某个方向撞击的μ子越多，可能表明该方向存在空洞。

通过这种方式，他们可以收集人类无法踏足的空间数据。例如，2017 年，研究人员在埃及吉萨的胡夫大金字塔深处发现了一个隐藏的洞穴。 2011 年海啸摧毁福岛第一核电站后，μ 子让科学家能够在安全距离内评估核电站受损情况。物理学家还利用 μ 子检查核废料容器，避免打开容器时发生泄漏。

然而，拍摄 μ 子图像也有一些缺点。首先，物理学家无法控制有多少 μ 子从天而降，而每天撞击地球的数百万个 μ 子实际上在宏观层面上并不算多。“用 μ 子成像技术拍摄一张图像可能需要几天时间，”Procureur 说。“你必须等到有足够多的 μ 子时才能拍摄。”

通常情况下，μ 子成像仪使用探测器拍摄快照，该探测器会计算有多少个 μ 子从各个方向撞击它。但是使用一台机器，你只能知道存在一个空洞，而无法知道它位于多远。这种限制使大多数 μ 子图像被困在二维空间中。这意味着如果你扫描建筑物的正面，你可能会看到单个房间，但看不到布局。如果你想详细探索一个空间，缺乏第三维度是一个主要障碍。

理论上，通过从不同角度拍摄 μ 子图像，你可以将它们拼接成 3D 重建图像。这就是放射科医生对 X 射线所做的工作。但是，虽然从不同角度拍摄数百张 X 射线图像很容易，但用 μ 子拍摄则要繁琐和耗时得多。

尽管如此，普罗库勒和他的同事们还是决定试一试。该核电站位于法国南部的马尔库勒核电站和研究设施，是一座老旧反应堆。这座核电站名为 G2，建于 20 世纪 50 年代。1980 年，反应堆永久关闭；从那时起，法国核能部门就开始慢慢地从反应堆中移除部件。现在，他们准备彻底关闭 G2，希望对内部结构进行另一次安全检查。“所以他们联系了我们，”普罗库勒说。

科学家之前曾拍摄过坦克等小物体的 3D 介子图像，但 G2——位于一个小型潜艇大小的混凝土圆柱体内部，并安装在一个飞机库大小的金属墙建筑物内——需要穿透更多的层和面积。

幸运的是，这个圆柱体留出了足够的空间，让普罗库勒和他的同事在反应堆周围和下方的战略位置设置了四个充气探测器。通过移动探测器，他们总共拍摄了 27 张长曝光μ子图像，每张都需要几天的时间才能拍摄完成。

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但 Procureur 说，最棘手的部分并不是设置 μ 子探测器，甚至不是让它们运行，而是事后将图像拼凑在一起。为了启动这个过程，该团队采用了一种用于在医疗诊所拼接解剖图像的算法。尽管这个过程很辛苦，但他们成功了。在最终的图像中，他们可以找出直径约 2.5 英尺的冷却管等小物体。

“重要的是他们做到了，”芝加哥郊区费米实验室的物理学家艾伦·布罗斯 (Alan Bross) 表示，他没有参与这项研究。“他们建造了探测器，他们去了现场，他们收集了数据......这真的很复杂。”

Procureur 表示，这一努力只是概念验证。现在他们知道了可以实现什么，他们决定迎接新的挑战：对其他位置的核容器进行成像。“准确度将显著提高，”Procureur 指出。

甚至更大的目标可能很快就会出现。回到吉萨，布罗斯和他的一些同事正在对大金字塔进行三维扫描。“我们基本上是在使用同样的技术，”他解释说，但规模要大得多。