内窥镜拍摄的大金字塔内部隐藏的走廊。这条走廊的存在于 2016 年首次通过 muography 被发现。(照片：埃及旅游和文物部)
上个月，埃及官员首次公开了位于开罗郊区具有 4500 年历史的吉萨大金字塔内隐藏走廊的镜头。这条长 9 米、宽 2 米的神秘走廊于 2016 年首次通过 μ 子成像被发现。介子成像是一种非侵入性技术，它使用称为介子的宇宙射线粒子来观察固体物体内部，检测密度和成分的变化，从而使科学家能够创建其内部的 3D 模型。原子能机构最近的一份出版物《介子成像》重点介绍了如何将介子用作非破坏性测试工具，使专家能够从外部对大型结构内部的物体制作准确的三维图像。
什么是介子?
我们的宇宙充满了无数宇宙射线，它们以接近光速的速度扫过太空。它们由太阳发射或来自遥远星系中的超新星爆炸。每一秒，地球都会受到这些由数万亿个亚原子粒子组成的射线的轰击。当宇宙射线与我们的大气层碰撞时，其中一些会被行星的磁场偏转，而另一些会到达地球上的我们——而不会造成任何伤害。当光线穿过大气层时，它们会发生一系列反应，从而产生大量新的亚原子粒子。其中有介子。
宇宙射线撞击地球大气层，产生一系列新粒子，其中包括 μ 子。(图片：A. Vlasov/IAEA)
μ 子令人费解，因为它们的某些特性与粒子物理学的主要理论(称为标准模型)的预测有细微但显着的偏差。然而，科学家们已经找到了一种方法，可以使用类似于传统射线照相术的神秘粒子，深入观察无法进行物理接触的大型物体，例如古建筑、火山甚至核反应堆。
“尽管我们看不到它们，但 μ 介子在地球上无处不在：它们从各个角度以几乎光速不断地穿过我们和我们周围的物体，”国际原子能机构的核物理学家伊恩斯温森说。“它们对人完全无害，但可以穿透数百米的岩石，为了解材料的成分和尺寸提供了一种通用的方法，否则我们将看不到这些材料。”
“Muon 成像在某种意义上像 X 射线或伽马射线照相术一样工作，它在医学上用于扫描身体，在工业上用于评估结构和组件的完整性和安全性，”Andrea Giammanco 补充说，他是粒子物理学家和其中一位新出版物的作者。“但是，虽然这些类型的射线照相术依赖于粒子加速器或放射源产生的强烈人工辐射源，但 μ 子射线照相术是基于自然来自外太空的宇宙射线。”
有两种一般类型的 μ 子成像：μ 子成像和 μ 子散射层析成像 (MST)。
Muography 涉及在结构下方或侧面放置一个检测器，以捕获通过它的 μ 子。材料密度越大，吸收的 μ 子就越多。一些设法穿过结构的粒子将被对面的探测器捕获。在生成的图像中，μ 子容易通过的空白区域将被标记为亮点，而密度较高的材料会更暗。
muography 依赖于材料对 μ 介子的吸收，而 μ 介子散射层析成像 (MST) 则基于 μ 介子的散射方式。例如，使用位于汽车或集装箱两侧的两个探测器，专家可以跟踪粒子如何从具有大量质子的高密度材料中偏转，从而可以查看车辆或集装箱内部无需进行物理检查。
传记。(图片：A. Vlasov/IAEA)
IAEA 的新出版物详细描述了 μ 子成像的主要技术和所涉及的不同类型的探测器。它还涵盖广泛的应用：从检查现代和古代建筑、火山和工业结构到加强核安全和保障。“代表了 μ 子成像领域的全面概述，该出版物对工业界和学术界的读者有帮助，可以更深入地了解这个发展中的领域，”Swainson 说。
自 1950 年代进行首次实验以来，μ 介子成像已应用于世界各地的各种物体。Muography 目前被用于评估意大利那不勒斯附近的维苏威火山的内部结构，该火山在公元 79 年悲惨地摧毁了古罗马城市庞贝城和其他几个定居点。研究人员正致力于使用 μ 子探测器可视化维苏威火山的内部过程，以试图改进他们的模型，这对于预测任何潜在的喷发及其过程至关重要，并制定降低当地人口风险的措施。自 1944 年最后一次喷发以来，这座火山一直处于休眠状态。
同样，μ介子成像已被应用于扫描中国西安古城墙、掠过日本的旋风、阿尔卑斯山的冰川以及最近正在退役的法国核反应堆。
国际原子能机构计划明年举办题为“μ介子层析成像：从基本原理到实际使用和应用”的研讨会。与会者将讨论将该技术应用于实际应用的各种模式、所用探测器的特性、μ子轨道的算法重建以及数据分析和图像重建。
