ветром, создавая гелиосферу – огромный пузырь в космосе, окружающий планеты Солнечной системы. Когда активность Солнца низкая, гелиосфера слабее, и она пропускает в Солнечную систему больше космических лучей, которые сталкиваются с атомами в атмосфере.

Когда протоны космических лучей сталкиваются в атмосфере с кислородом, могут образоваться два изотопа бериллия: бериллий-7 и бериллий-10, которые в конечном итоге оседают на Земле. Период полураспада бериллия-10 составляет 1,4 миллиона лет, и он распадается до бора-10, а бериллий-7 распадается всего за 53 дня до лития-7. Эти изотопы накапливаются в слоях льда в Антарктиде и Гренландии, а бурение льда для извлечения кернов дает удобный способ проследить их историю. Для каждого слоя соотношение двух изотопов помогает определить, как давно они образовались в атмосфере, а количество бериллия-10 говорит нам о том, насколько была активна гелиосфера и, следовательно, Солнце. Используя этот метод, мы можем сказать по космическим лучам, действительно ли солнечная активность связана с изменением климата на Земле.

Частицы, обнаруженные в результате исследований космических лучей, также нашли повседневное применение. Позитроны, которые естественным образом испускаются в некоторых процессах радиоактивного распада, используются для выявления и понимания заболеваний с помощью метода позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Аппараты, которые проводят подобное медицинское сканирование, можно найти в большинстве крупных больниц, и мы узнаем чуть больше об их применении в другой главе.

Безусловно, самой неожиданной частицей, нашедшей применение, остается мюон. Мюоны обладают уникальной особенностью, заключающейся в том, что они могут проходить долгий путь сквозь плотные объекты – свинцовая стена или несколько сотен метров скалы для них не помеха. По мере развития технологий физики поняли, что если они смогут правильно настроить детекторы, то смогут использовать мюоны как рентгеновский сканер. Поскольку мюоны могут проходить сквозь массивные объекты, им доступно то, чего не могут сделать рентгеновские лучи.

Мюоны были впервые использованы не в Соединенных Штатах или Европе, где они были обнаружены и изучены, а – что несколько удивительно – в Австралии. В 1950-х годах физик по имени Э. П. Джордж использовал мюоны космических лучей для измерения плотности породы над новым туннелем для огромной гидроэлектростанции Гидрокомплекса Сноуи. С помощью счетчика Гейгера он сначала обнаружил мюоны в тоннеле и на поверхности, а затем, руководствуясь полученными результатами, измерил глубину и плотность грунта между ними. Но счетчик Гейгера, который использовал Джордж, не давал никакой информации о направлении, откуда исходили мюоны, так что сделать какое-либо изображение было невозможно.

К 1960-м годам Луис Альварес (который также был научным директором ЦЕРНа, о нем мы поговорим позже) сотрудничал с археологами, чтобы использовать мюоны для сканирования внутренностей пирамид, что в конечном итоге привело в 2010 году к запуску проекта ScanPyramids Каирского университета и французского Института сохранения культурного наследия и инноваций (HIP). Археологи думали, что узнали все, что нужно было знать о Великой пирамиде Хуфу в Гизе, но в 2017 году команда ScanPyramids разместила мюонные детекторы вокруг пирамиды, а также внутри Камеры царицы, и пришла к удивительному выводу: внутри сооружения есть скрытая комната, отделенная от всех остальных. Это была первая новая комната, обнаруженная с XIX века[120]. Это стало прорывом в понимании внутренней структуры пирамиды и, возможно, шагом к окончательному пониманию ее конструкции.

По сравнению с электронами или рентгеновскими лучами, мюоны не очень сильно взаимодействуют при прохождении сквозь материю, поэтому они менее склонны к рассеянию и в основном проходят сквозь объекты по прямым линиям. Эти свойства дают удивительное преимущество. Размещение детекторов по обе стороны от объекта и корреляция прохождения мюона до и после его вхождения в объект позволяет получать изображения с удивительно хорошим разрешением, даже если их не так много. Все потому, что они движутся по прямым линиям, по сравнению с рентгеновскими лучами, у которых всегда более рассеянные траектории. Первые изображения, сделанные таким образом, были получены в результате разработок в Соединенных Штатах, а новые и улучшенные методы обнаружения дали нам возможность заглядывать внутрь больших твердых объектов с помощью техники, известной как мюонная томография, или мюография, которая работает как 3D-рентгеновский сканер, но в огромных масштабах. В 2000-х годах исследования и работа в этой области резко набрали обороты.

В 2006 году японская команда под руководством профессора Хироюки Танаки из Токийского университета стала первой, кто использовал мюоны для получения изображения внутренней структуры вулкана, горы Асама в Японии. Геологи были особенно активными сторонниками мюографии. Вскоре были составлены карты лавовых каналов и прогнозирования извержений других вулканов, включая Этну и Везувий. Теперь стало возможно делать снимки движения магмы.

По мере развития технологий мюография стала коммерциализироваться, часто с образованием дочерних компаний из лабораторий, где проводятся исследования. Эти компании нашли обширное и увлекательное применение мюонам, создавая 3D-визуализации всего – от целых контейнеровозов до критически важных объектов инфраструктуры, таких как электростанции.

Системы регистрации мюонов также представлены на рынке агентств национальной безопасности и горнодобывающей промышленности, поскольку они способны выявлять плотные залежи полезных ископаемых, пещеры, тоннели и другие структуры в Земле. Мюоны используются в геофизике, картировании подземных вод и поиске полезных ископаемых. В области ядерной безопасности одной из первых команд, сформированных после цунами 2011 года в Японии, стала группа, которая использовала мюографию для анализа состояния активных зон ядерного реактора АЭС «Фукусима-1», что означает меньшее количество неожиданностей при проведении работ по очистке и ликвидации последствий аварии. Никакая другая техника не может создать такого изображения. Другие группы рассматривают возможность использования того же подхода для проверки объектов хранения ядерных отходов.

Мы только начинаем реализовывать все преимущества мюонов, которые каждый день невидимо для нас проходят в атмосферу. В будущем мы можем использовать мюоны для мониторинга всего – от структурной целостности мостов до гула Земли[121].

Сегодня физики уже не используют облачные камеры, но когда-то эти детекторы положили начало замечательному исследованию природы космических лучей и позволили открыть целый ряд новых частиц. Облачная камера начинала свое существования как любопытное устройство, предназначенное для воссоздания эффектов света на облаках, и в конечном итоге стала инструментом, необходимым физикам для знакомства с невидимым миром частиц. Впервые физики могли видеть, как частицы проходят через их детекторы, и делать снимки, на которых были запечатлены появление и исчезание частиц.

До облачной камеры физики думали, что существуют только субатомные частицы – внутри атома. Но теперь они знали, что есть и такие частицы, которые не играют никакой роли в материи вокруг нас. Задача, стоявшая перед учеными, состояла в том, чтобы попытаться выяснить, существует ли в природе еще больше частиц и как все эти