Forskare vid Berkeley Lab presenterade en 30 cm lång kompakt laserplasmaaccelerator (LPA) som kan generera och detektera mycket riktade myonstrålar. Den fungerar genom att använda intensiva laserpulser för att accelerera elektronstrålar, som sedan skapar myoner i betydligt större antal och med större riktning, vilket ger ett kraftfullt nytt alternativ för icke-destruktiv avbildning av stora eller dolda objekt.
Konventionella artificiella myonkällor är skrymmande och dyra, vilket har gjort att många avbildningsapplikationer är beroende av naturligt förekommande, sällsynta och opålitliga kosmiska strålar. Den nya LPA övervinner dessa begränsningar genom att producera betydligt högre myonavkastning, vilket minskar exponeringstiden från månader till minuter, enligt studien publicerad i Physical Review Accelerators and Beams.
Till skillnad från röntgenstrålar, som lätt absorberas, förlorar myoner gradvis energi, vilket gör att de kan passera genom stora eller dolda strukturer som består av hundratals meter berg eller täta material som bly och stål. Tack vare denna exceptionella penetrationsförmåga har myonavbildning avslöjat dolda kamrar i den stora pyramiden i Giza, undersökt vulkaners inre och inspekterat kärnavfall.
Schematisk översiktsbild av försöksuppställningen (ej skalenlig). Källa: Phys. Rev. Accel. Beams 28 (2025). DOI: https://doi.org/10.1103/kxjr-h7zs
Kosmisk strålning bombarderar ständigt jorden med myoner. Cirka 147 myoner passerar genom varje kvadratmeter av ytan varje sekund, och biljoner passerar genom var och en av oss under en livstid. Men bildapplikationer som kräver myoner från specifika riktningar, vilket är anledningen till att traditionell myonavbildning kräver månader av exponering för att samla in tillräckligt med data för en tydlig bild.
Behovet av en kompakt enhet som kan bäras på plats ledde forskarna till LPA. Flera studier hade teoretiserat att LPA potentiellt kunde generera myoner som en biprodukt av kolliderande laserplasma-genererade elektronstrålar med hög-Z-mål; Z står här för ett elements atomnummer. De flesta av dessa var endast beräkningsmässiga förutsägelser utan experimentellt stöd.
Vid Berkeley Labs BELLA-anläggning har forskare för första gången lyckats detektera och karakterisera riktade myonstrålar som producerats av en laserplasmaaccelerator (LPA). Med hjälp av lasern accelererade forskarna elektroner till extremt höga energier (flera GeV) i en 30 cm lång plasmakanal.
Dessa högenergielektroner kolliderade sedan med ett mål med högt Z-värde (bly), där de avgav fotoner när de avböjdes av atomkärnor. När dessa energirika fotoner träffade målkärnorna producerade de myon-antimyonpar. De resulterande myonerna bildade en mycket riktad, kollimerad stråle längs den ursprungliga elektronbanan, med energier som nådde flera GeV.
Myonflödet bakom betongväggen beräknat med Geant4 för en perfekt inriktad stråle. Källa: Phys. Rev. Accel. Beams 28 (2025). DOI: https://doi.org/10.1103/kxjr-h7zs
Simuleringar och experiment avslöjar två distinkta myonpopulationer: högenergiska, riktade myoner koncentrerade längs den centrala strålaxeln och lågenergiska, icke-riktade myoner som dominerar områdena bort från den centrala strålen.
LPA genererade också myonflöden som var mer än 40 gånger högre än kosmisk strålning för horisontell avbildning. I stället för att förlita sig på den glesa strömmen av myoner från kosmiska källor levererade systemet över 20 myoner per skott inom avbildningsöppningen, vilket gav exceptionell upplösning med oöverträffad hastighet.
Forskarna noterar att experimentet etablerar LPA-genererade elektronstrålar som praktiska myonkällor, vilket banar väg för framtida tillämpningar byggda kring högenergistrålar och detektorer optimerade för myonspridningsbildrekonstruktion.
Mer information: Davide Terzani et al, Mätning av riktade myonstrålar genererade vid Berkeley Lab Laser Accelerator, Physical Review Accelerators and Beams (2025). DOI: 10.1103/kxjr-h7zs
