A HUN-REN Wigner FK kutatóinak részvételével, széles körű nemzetközi együttműködésben jelent meg a müográfiai kutatások legújabb eredményeit bemutató publikáció

Centiméteres pontosságú navigáció egy beomlott bányában, ahol nincs GPS-jel? Egy még ismeretlen barlangi üreg vagy egy rejtett kamra feltárása egy piramisban kozmikus részecskékkel? Hogyan lehetséges mindez?

A kozmikus müonok a felső légkörben keletkeznek, nagy áthatolóképességük miatt azonban leérnek a Föld felszínére, sőt képesek mélyen a talajba is behatolni. A jelenség felfedezésével egy időben merült fel a gondolat, hogy a müonok felhasználhatók lennének képalkotásra, de a megfelelő mérőeszközök hiánya miatt korábban ez csak egy tudományos elképzelés maradt.
Az elmúlt évtizedben aztán gyorsan nőni kezdett az alkalmazási lehetőségek és módszerek köre, ami egy új tudományág, a „müográfia” megszületéséhez vezetett.

A müográfia – vagyis a minket körülvevő kozmikus részecskéket kihasználó képalkotási és mérési módszer – ma már változatos lehetőségeket kínál olyan objektumok vizsgálatára, amelyek más módon nehezen vagy egyáltalán nem lennének mérhetők. Van azonban ennek két komoly korlátja. Az egyik, hogy a mérések során a vizsgált objektum „alá” kell menni a mérőeszközzel – hiszen a müonok felülről érkeznek –, a másik, hogy ez az eljárás jó közelítéssel csak a tömegsűrűségről hordoz információt. Emiatt a müográfia sokszor más módszerek kiegészítőjeként jelenik meg, azokkal együtt segítve olyan kérdések vizsgálatát, mint hogy milyen lehet egyes vulkánok belsejének a szerkezete vagy az azon belüli dinamikai folyamatok, illetve milyen felületi erózió zajlik rajtuk.

Egy különösen érdekes új eredmény például a centiméteres pontosságú navigáció lehetősége olyan körülmények között, ahol nincs GPS-jel, és nem használható ultrahangos vagy lézeres navigáció. Ilyen lehet például egy beomlott bánya, egy leomlott épület, esetleg egy víz alatti környezet, de a kozmikus müonok nagy pontosságú szinkronizációra vagy az adatátvitel titkosításának ellenőrzésére is használhatók.

A most megjelent összefoglaló publikáció érthető áttekintést ad ezekről a technológiákról, amelyek fizikai alapja a müonrészecske több száz méteres áthatolóképessége, méréstechnikája pedig a részecskefizikai alapkutatási eredményekre épül. A szerzők között két hazai kutató is van, Oláh László, a Tokiói Egyetem Földrengéskutató Intézetének kutatója, valamint Varga Dezső, a HUN-REN Wigner FK detektorfejlesztéssel foglalkozó munkatársa.

A részecskefizikai berendezések fejlesztése összetett feladat, amihez magas színvonalú szaktudás és műszerpark szükséges. Ez utóbbi a HUN-REN Wigner FK-ban az NKFIH által kiemeltnek elismert Vesztergombi Nagyenergiás Fizikai Laboratórium (VLAB) infrastruktúra keretében áll rendelkezésre. A VLAB többek között a CERN-ben folyó kutatómunkát is támogatja a kutatóközpont több csoportja számára, továbbá a Tokiói Egyetemmel közösen létrehozott laboratórium is részét képezi, amely a Szakuradzsima-vulkánnál Kjúsún, illetve Chibában más japán partnerekkel közösen működtetett obszervatóriumokat is magában foglalja.

A most megjelent tanulmány azért is rendkívül fontos, mert áttekintést ad a világ különböző kutatóintézeteiben folyó müográfiai kutatásokkal kapcsolatos munkákról, illetve az egyes kutatócsoportok erősségeiről, ezáltal pedig a müográfia jelenlegi és a közeljövőben várható lehetőségeiről. Bár a természet egyetlen jelenségének a használatáról van szó, mégis a fizika ismert törvényeinek a megnyilvánulásai meglepően különbözőek lehetnek a barlangok, bányajáratok, piramisok, vulkánok, hidak vagy gátak megfigyelésekor. A gyorsan fejlődő új tudományág kutatói pedig ennek megfelelően igyekeznek kifejleszteni a leghasználhatóbb eszközöket, számítási algoritmusokat, kép- és adatfeldolgozási módszereket, hogy azok minél előbb a társadalom hasznára válhassanak.

Publikáció:

Részt vevő intézetek: The University of Tokyo, The University of Salerno, Fermi National Accelerator Laboratory, The National Metrology Institute of Italy, National Institute for Astrophysics, Université catholique de Louvain, Durham University, Enrico Fermi Research Center, National Institute for Nuclear Physics, CERN, Muon Solutions, University of Oulu, Arctic Planetary Science Institute, Kyushu University, Laboratoire Souterrain à Bas Bruit, University of Atacama, Lanzhou University, The University of Catania, Institute of Physics of the 2 Infinities (IP2I), MUODIM, Lebedev Physical Institute, Andhra University, Federal University of Pernambuco, The University of Sheffield, HUN-REN Wigner Research Centre for Physics.)

Szerzők: Hiroyuki K. M. Tanaka, Cristiano Bozza, Alan Bross, Elena Cantoni, Osvaldo Catalano, Giancarlo Cerretto, Andrea Giammanco, Jon Gluyas, Ivan Gnesi, Marko Holma, Tadahiro Kin, Ignacio Lázaro Roche, Giovanni Leone, Zhiyi Liu, Domenico Lo Presti, Jacques Marteau, Jun Matsushima, László Oláh, Natalia Polukhina, Surireddi S. V. S. Ramakrishna, Marco Sellone, Armando Hideki Shinohara, Sara Steigerwald, Kenji Sumiya, Lee Thompson, Valeri Tioukov, Yusuke Yokota, Dezső Varga

DOI: 10.1038/s43586-023-00270-7

Link: https://www.nature.com/articles/s43586-023-00270-7