Tháng 3/2023, Ai Cập đã công khai những thước phim đầu tiên về hành lang bí mật bên trong Đại kim tự tháp Giza 4.500 năm tuổi, nằm ở ngoại ô Cairo. Dài 9 mét và rộng 2 mét, hành lang bí ẩn lần đầu tiên được phát hiện vào năm 2016 nhờ kỹ thuật chụp ảnh Muon. Chụp ảnh Muon là kỹ thuật không xâm lấn sử dụng các bức xạ tia vũ trụ, được gọi là Muon, để nhìn thấy bên trong các vật thể rắn, phát hiện những thay đổi về mật độ và thành phần, từ đó cho phép các nhà khoa học tạo ra các mô hình 3D của chúng.
Một hành lang ẩn bên trong Kim tự tháp được chụp bằng kỹ thuật chụp ảnh bức xạ năm 2016. (Nguồn: Bộ Du lịch và Cổ vật Ai Cập).
Không gian chứa vô số bức xạ vũ trụ quét qua với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Chúng được phát ra từ mặt trời hoặc đến từ các vụ nổ siêu tân tinh ở các thiên hà xa xôi. Mỗi giây, Trái đất bị bắn phá bởi hàng nghìn tỷ hạt hạ nguyên tử. Khi các tia vũ trụ va chạm với bầu khí quyển, một trong số chúng bị từ trường của hành tinh làm chệch hướng, trong khi những tia khác đến Trái đất mà không gây ra bất kỳ tác hại nào. Khi các tia đi qua bầu khí quyển, chúng trải qua một loạt phản ứng, tạo ra trận mưa hạt hạ nguyên tử mới. Trong số này có Muon.
Muon có một số tính chất sai lệch so với những dự đoán của lý thuyết hàng đầu về vật lý hạt, được gọi là mô hình chuẩn. Tuy nhiên, các nhà khoa học đã tìm ra cách sử dụng các hạt bí ẩn này, tương tự như kỹ thuật chụp X-quang, để nhìn sâu vào bên trong các vật thể lớn, nơi không thể tiếp cận bằng phương pháp vật lý thông thường, chẳng hạn như các tòa nhà cổ, núi lửa hoặc thậm chí là lò phản ứng hạt nhân. Ian Swainson, nhà vật lý hạt nhân của IAEA cho biết: “Mặc dù chúng ta không thể nhìn thấy chúng, nhưng Muon có ở khắp mọi nơi trên Trái đất: chúng liên tục đi qua chúng ta và các vật thể xung quanh chúng ta với tốc độ gần như bằng tốc độ ánh sáng từ mọi góc độ”. “Chúng hoàn toàn vô hại với con người nhưng có thể xuyên qua hàng trăm mét đá, cung cấp một phương tiện linh hoạt để hiểu thành phần và kích thước của vật liệu mà chúng ta không thể nhìn thấy được”.
Các tia vũ trụ đâm vào bầu khí quyển của Trái đất, tạo ra một dòng hạt mới, trong số đó có Muon. (Nguồn: A. Vlasov/IAEA)
Kỹ thuật chụp ảnh Muon là kỹ thuật sử dụng các Muon tia vũ trụ để tạo ra hình ảnh ba chiều của các thể tích bằng cách sử dụng thông tin chứa trong sự tán xạ Coulomb của các Muon. Kỹ thuật chụp ảnh Muon hoạt động theo nguyên lý tượng tự như chụp X-quang hoặc tia gamma, được sử dụng trong y học để quét cơ thể và trong công nghiệp để đánh giá tính toàn vẹn và an toàn của các cấu trúc và thành phần. Nhưng trong khi các kiểu chụp X-quang hiện nay dựa vào các nguồn bức xạ nhân tạo cường độ cao được tạo ra bởi các máy gia tốc hoặc các nguồn phóng xạ, thì chụp Muon dựa trên các tia vũ trụ đến tự nhiên từ ngoài không gian. Vì các hạt Muon thâm nhập sâu hơn nhiều so với tia X, chụp cắt lớp Muon có thể được sử dụng để chụp ảnh xuyên qua vật liệu dày hơn nhiều so với chụp X-quang hay CT.
Kể từ khi phát triển vào những năm 1950, kỹ thuật chụp ảnh Muon đã có hai loại: Chụp cắt lớp và chụp cắt lớp tán xạ Muon (MST). Chụp cắt lớp Muon (Muography) liên quan đến việc đặt một đầu dò bên dưới hoặc bên cạnh một cấu trúc để thu giữ các hạt muon đi qua cấu trúc đó. Vật chất càng đậm đặc thì càng có nhiều Muon bị hấp thụ. Hạt đi qua cấu trúc sẽ bị đầu dò ở đối diện bắt giữ. Trong hình ảnh thu được, các khoảng trống mà các hạt Muon đi qua sẽ được đánh dấu là các điểm sáng, trong khi các vật liệu có mật độ cao hơn sẽ tối hơn. Trong khi kỹ thuật chụp cắt lớp dựa trên sự hấp thụ của các hạt Muon, thì phép kỹ thuật chụp cắt lớp tán xạ Muon (MST) dựa trên cách các hạt Muon bị tán xạ. Ví dụ: sử dụng hai đầu dò được đặt ở hai phía đối diện của ô tô hoặc công-ten-nơ vận chuyển, các chuyên gia có thể theo dõi cách các hạt bị lệch khỏi vật liệu có mật độ cao với số lượng proton cao, điều này giúp nhìn vào bên trong phương tiện hoặc công-te-nơ mà không cần kiểm tra thực tế.
Muography (Nguồn: A. Vlasov/IAEA)
Muography là kỹ thuật có khả năng khảo sát các vật thể lớn hơn nhiều so với X-quang thông thường. Do các Muon ít có khả năng tương tác, bị dừng lại và phân rã trong vật chất có mật độ thấp hơn so với vật chất có mật độ cao, nên một số lượng Muon di chuyển qua các vùng mật độ thấp của các vật thể mục tiêu so với các vùng có mật độ cao hơn là lớn hơn. Các thiết bị ghi lại quỹ đạo của từng sự kiện để tạo ra một muogram hiển thị ma trận số lượng Muon được truyền sau khi chúng đi qua các vật thể có kích thước 100 mét đến hàng km. Cấu trúc bên trong của đối tượng, được tạo ảnh theo mật độ, được hiển thị bằng cách chuyển đổi muogram thành ảnh muographic. Máy chụp cắt lớp Muon được phát triển với mục đích phát hiện vật liệu hạt nhân trong phương tiện giao thông đường bộ và công-ten-nơ hàng hóa nhằm mục đích không phổ biến vũ khí hạt nhân. Một ứng dụng khác là giám sát các địa điểm tiềm năng dưới lòng đất được sử dụng để cô lập carbon.
Một số ứng dụng của Muography
Lĩnh vực Địa chất: Muography đã được sử dụng để chụp ảnh các buồng magma nhằm dự đoán các vụ phun trào núi lửa. Dự án Mu-Ray đã sử dụng kỹ thuật chụp ảnh Muography để chụp ảnh núi lửa Vesuvius, nổi tiếng với vụ phun trào năm 79 sau Công nguyên, phá hủy các khu định cư bao gồm cả Pompeii và Herculaneum. Dự án Mu-Ray được tài trợ bởi Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN, Viện Vật lý Hạt nhân Quốc gia Ý) và Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (Viện Địa vật lý và Núi lửa Quốc gia Ý). Lần cuối cùng ngọn núi lửa này phun trào là vào năm 1944. Mục tiêu của dự án này là “nhìn” bên trong ngọn núi lửa. Công nghệ này có thể được áp dụng cho các núi lửa trên khắp thế giới, để hiểu rõ hơn về thời điểm núi lửa sẽ phun trào. Dự án ASTRI SST-2M sử dụng kỹ thuật chụp ảnh Muography để tạo ra các hình ảnh bên trong về các đường magma của núi lửa Etna. Vụ phun trào lớn cuối cùng vào năm 1669 đã gây ra thiệt hại trên diện rộng và khoảng 20.000 người. Theo dõi dòng chảy magma bằng kỹ thuật Muography có thể giúp dự đoán hướng mà dung nham phun trào trong tương lai. Kỹ thuật Muography mang đến: hình ảnh về sự hình thành khoang trước khi miệng núi lửa sụp đổ, xác định vết nứt ngầm và hình ảnh về sự hình thành của lỗ thông hơi mới vào năm 2019 bắt đầu hoạt động và sau đó phun trào.
Trong giám sát nước ngầm: Muography được áp dụng để theo dõi mức độ bão hòa và nước ngầm đối với đá nền trong khu vực sạt lở đất như một phản ứng do mưa lớn. Kết quả đo được so sánh với phép đo mực nước ngầm trong lỗ khoan và điện trở suất của đá.
Trong nghiên cứu sông băng: Khả năng ứng dụng của kỹ thuật chụp ảnh Muography đối với các nghiên cứu về sông băng lần đầu tiên được chứng minh qua cuộc khảo sát phần trên cùng của sông băng Aletch nằm ở dãy núi Alps ở Trung Âu. Năm 2017, Nhật Bản hợp tác với Thụy Sĩ đã tiến hành thí nghiệm chụp ảnh Muography quy mô lớn tại Eiger Glacier để xác định hình học nền bên dưới các sông băng đang hoạt động trong môi trường núi cao của vùng Jungfrau ở Thụy Sĩ. Có 5-6 màng nhũ tương phủ hai mặt được đặt trong khung bằng các tấm thép không gỉ để che chắn, được lắp đặt ở 3 khu vực của đường hầm đường sắt nằm bên dưới sông băng. Sự xói mòn nền bên dưới và ranh giới giữa sông băng và nền đó được chụp thành công. Phương pháp này cung cấp thông tin quan trọng về cơ chế xói mòn nền đá dưới băng.
Trong khai thác khoáng sản: TRIUMF và công ty Ideon Technologies đã sử dụng kỹ thuật Muography xây dựng một bản đồ đặc biệt để khảo sát các vị trí có thể có mỏ urani.
Trong xây dựng dân dụng: Muography được sử dụng để lập bản đồ bên trong các cấu trúc kỹ thuật dân dụng lớn, chẳng hạn như đập và môi trường xung quanh nhằm mục đích phòng ngừa rủi ro và an toàn. Muography xác định các trục xây dựng ẩn nằm phía trên Đường hầm cũ Alfreton (xây dựng năm 1862) ở Anh hay điều tra các điều kiện của lò phản ứng hạt nhân bị hư hại bởi thảm họa hạt nhân Fukushima, và giúp xác nhận tình trạng tan chảy gần như hoàn toàn của nó.
Trong đánh giá chất thải hạt nhân: Các kỹ thuật chụp cắt lớp có thể hiệu quả đối với việc mô tả đặc tính chất thải hạt nhân không xâm lấn và để tính toán vật liệu hạt nhân đối với nhiên liệu đã qua sử dụng bên trong các thùng chứa khô (DSC). Muography có thể cải thiện độ chính xác của dữ liệu này. Hình ảnh của DSC vượt quá mục tiêu phát hiện của IAEA đối với vật liệu hạt nhân. Ở Canada, nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng được lưu trữ trong các bể chứa lớn (khoang chứa nhiên liệu hoặc kho chứa ướt) trong khoảng thời gian là 10 năm để đủ khả năng làm giảm mức phóng xạ. Chụp cắt lớp Muon có thể đánh giá đặc tính của chất thải, mức làm giảm bức xạ và tình trạng của thùng chứa chất thải.
Bên trái – Lõi lò phản ứng với khoảng trống hình nón. Phải – Hình ảnh Lõi từ Muography. Khoảng trống trong lõi được chụp ảnh rõ ràng qua hai bức tường bê tông dài 2,74 mét. Lõi chì có độ dày 0,7 mét tạo ra độ dài bức xạ tương đương với nhiên liệu urani.
Trong khảo cổ học: Vào năm 2015, Dự án ScanPyramids gồm nhóm các nhà khoa học quốc tế đến từ Ai Cập, Pháp, Canada và Nhật Bản đã sử dụng Muography để khảo sát quần thể kim tự tháp Giza. Vào năm 2017, các nhà khoa học tham gia dự án đã phát hiện ra một lỗ hổng lớn, có tên là ScanPyramids Big Void, bên trên Phòng trưng bày lớn của Đại Kim tự tháp Giza. Kim tự tháp Mexico là kim tự tháp lớn thứ 3 trên thế giới hay gọi là Kim tự tháp Mặt trời, nằm gần Thành phố Mexico ở Teotihuacan cũng đã được khảo sát bằng kỹ thuật Muography. Kết quả nhận được là hình ảnh một vùng mật độ thấp rộng khoảng 60 mét, khiến một số nhà nghiên cứu cho rằng cấu trúc của kim tự tháp có thể đã bị suy yếu và có nguy cơ sụp đổ.
Một thí nghiệm chụp ảnh ba chiều được thực hiện trong các đường hầm dưới lòng đất của Mt Echia (ở Napoli, Ý) với 2 máy Muon, MU-RAY và MIMA, đã chụp ảnh thành công 2 hốc đã biết và phát hiện ra một hốc chưa biết. Mt Echia là nơi định cư sớm nhất ở Napoli bắt đầu vào thế kỷ thứ 8 và nằm dưới lòng đất. Bằng cách sử dụng các phép đo từ 3 vị trí khác nhau trong các đường hầm dưới lòng đất, một bản tái tạo 3D đã được tạo ra cho khu vực chưa xác định. Phương pháp được sử dụng cho thí nghiệm này có thể được áp dụng cho các mục tiêu khảo cổ học khác để kiểm tra tính toàn vẹn về cấu trúc của các địa điểm cổ đại và để có khả năng khám phá các khu vực lịch sử ẩn giấu trong các địa điểm đã biết.
Từ khóa: Muon; Muography; tia vũ trụ; chụp ảnh bức xạ;
– CMD&DND –
