Недавнее исследование доказывает возможность использования детекторов космического излучения для обнаружения подземных пространств. Детекторы идентифицируют мюоны — частицы, возникающие при столкновении космического излучения с атмосферой Земли, которые проникают в землю, прежде чем потерять энергию и остановиться. Таким образом, обнаруживая мюоны, археологи могут наносить на карту скрытые пустоты, такие как туннели и каналы.
Команда исследователей продемонстрировала эффективность технологии на археологическом объекте «Город Давида» в Иерусалиме, показав, как система успешно отображает подземные пространства на основе изменений в поглощающей способности почвы к частицам космического излучения.
Исследование проводилось под руководством профессора Эреза Эциони из Школы физики и астрономии Раймонда и Беверли Саклер Тель-Авивского университета и профессора Одеда Липшица из Департамента археологии и древних культур Ближнего Востока имени Джейкоба М. Алкоу. В исследовании также участвовали профессор Юваль Гадот из Департамента археологии и древних культур Ближнего Востока, профессор Ян Бенхамму, доктор Игорь Золкин и докторант Гилад Мирзахи из Школы физики и астрономии, доктор Йифтах Сильвер и доктор Амир Вайсбейн из Rafael Advanced Defense Systems и доктор Йифтах Шалев из Управления древностями Израиля. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Applied Physics.
«От пирамид в Египте через города майя в Южной Америке до древних памятников в Израиле — археологи пытаются обнаружить подземные пространства», — говорит профессор Липшиц. «Наземные структуры относительно легко раскапывать, и существуют различные методы для выявления стен и сооружений под поверхностью. Однако эффективных методов для проведения комплексных исследований подземных пространств под скалой, на которой расположен древний памятник, не существует».
«В Иудейских предгорьях, например, верхний слой твёрдого известняка перекрывает мягкий мел, в котором древние люди легко вырезали обширные пространства для водохранилищ, сельскохозяйственных нужд, хранения или даже жилищ. Очевидно, что в таких регионах большинство наземных археологических памятников напоминают швейцарский сыр под скалой, но у нас нет способа узнать об этом заранее», — объясняет профессор.
«Если нам посчастливится провести раскопки над землёй, достичь скалы и обнаружить вход в полость, мы сможем провести раскопки, но у нас нет способа определить подземные пространства заранее. В текущем исследовании мы впервые предлагаем инновационный метод, который доказал свою эффективность в обнаружении подземных пространств с помощью детекторов космического излучения, в частности мюонов», — добавляют исследователи.
Как работают мюоны
Исследователи объясняют, что мюон — это элементарная частица, подобная электрону, но в 207 раз более массивная. Мюоны создаются в атмосфере, когда энергетические частицы, в основном протоны, сталкиваются с ядрами молекул в воздухе. Это столкновение генерирует нестабильные частицы, называемые пионами, которые быстро распадаются на мюоны.
«Мюонный душ достигает земли с фиксированной и известной скоростью, — объясняет профессор Эциони. — В отличие от электронов, которые останавливаются в земле на глубине всего нескольких сантиметров, мюоны медленно теряют энергию, проходя через землю, и некоторые могут проникать гораздо глубже — даже до 100 метров для высокоэнергетических частиц. Поэтому, размещая детекторы мюонов под землёй и отслеживая окружающую среду, мы можем идентифицировать пустые полости, где потери энергии минимальны».
Этот процесс аналогичен рентгеновской визуализации: рентгеновский луч останавливается костями, но проходит через мягкие ткани, такие как плоть или жир, а камера с другой стороны фиксирует полученное изображение. В нашем случае мюоны действуют как рентгеновские лучи, наш детектор — это камера, а подземные объекты — это человеческое тело.
Как отмечается, исследователи провели впечатляющую демонстрацию в скальной установке, известной как цистерна Иеремии, на археологическом объекте «Город Давида». Объединив сканирование высокого разрешения с помощью LiDAR внутренней полости с моделированием потока мюонов, они смогли нанести на карту структурные аномалии.
«Эта статья — первая веха», — говорит профессор Липшиц. «Мы просим физиков откликнуться на археологические потребности и разработать более мелкие, простые, дешёвые, долговечные, точные и энергоэффективные детекторы. На следующем этапе мы намерены объединить физику и археологию с искусственным интеллектом для создания 3D-изображения подземных пространств на основе обширных данных, полученных с помощью детекторов. Нашим тестовым полигоном станет Тель-Азека в самом сердце Иудейских предгорий, с видом на долину Эла».
«Это не наше изобретение, — добавляет профессор Эциони. — Уже в 1960-х годах мюоны использовались для поиска скрытых камер в пирамидах в Египте, а недавно технология была возрождена. Наше нововведение заключается в разработке небольших и мобильных детекторов и обучении работе с ними на археологических объектах».
«В конце концов, существует разница между детектором в лабораторных условиях и детектором, который необходимо доставить в пещеру или на раскопки, где неизбежно возникают практические проблемы с электричеством, температурой и влажностью. Дальность обнаружения зависит от времени измерения; чем дальше расположение детектора, тем меньше частиц достигает его, но реально можно анализировать изображения с расстояния до 30 метров в разумные сроки», — заключают исследователи.
«Поэтому наша цель — разместить несколько детекторов или перемещать один детектор с места на место, чтобы в конечном итоге создать 3D-изображение всего объекта. И мы только начали. Следующий этап включает в себя сложный анализ, который позволит нам нанести на карту всё, что находится под нашими ногами, ещё до начала раскопок», — подытоживают они.
Источник: Tel-Aviv University.