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Lasergenerierte Myonen haben erstmals einen dichten Bleikörper durchleuchtet
Ein mit einem Hochleistungslaser erzeugter Myonenstrahl hat in einem Labortest einen dichten Bleikörper als Durchleuchtungsbild sichtbar gemacht. Die Teilchen durchquerten starke Abschirmungen und wurden noch in bis zu 42 Metern Entfernung vom Entstehungsort nachgewiesen. Der noch nicht fachbegutachtete Versuch zeigt damit einen möglichen Weg zu steuerbaren Myonenquellen für schnellere Muografie.
Măgurele (Rumänien). Myonen können dicke Schichten aus Beton, Metall oder Gestein durchdringen, weil sie deutlich schwerer als Elektronen sind und deshalb weniger Energie durch Strahlungsprozesse verlieren. Diese Eigenschaft macht sie für die Muografie interessant, bei der aus der Abschwächung eines Myonenstroms auf die Dichte im Inneren eines Objekts geschlossen wird. Bisher stammen die Teilchen dafür meist aus der kosmischen Strahlung.
Der natürliche Myonenstrom ist jedoch vergleichsweise schwach und seine Richtung lässt sich nicht steuern. Je nach Objekt kann eine Aufnahme deshalb lange Messzeiten erfordern. Eine künstliche Quelle könnte die Teilchen gezielter auf ein Untersuchungsobjekt richten und die Bedingungen einer Messung besser kontrollierbar machen.
Forscher des Horia Hulubei National Institute for R&D in Physics and Nuclear Engineering (IFIN-HH) um Alexandra Săftoiu haben nun untersucht, ob sich lasererzeugte Myonen nicht nur nachweisen, sondern tatsächlich für eine Bildgebung nutzen lassen. Die Ergebnisse liegen als Forschungs-Preprint vor und sind noch nicht fachbegutachtet.
Für den Versuch nutzte das Team die 10-Petawatt-Laseranlage der Extreme Light Infrastructure – Nuclear Physics (ELI-NP) in Rumänien. Ein extrem kurzer Laserpuls traf dort auf ein 60 Millimeter langes Gasziel und beschleunigte Elektronen auf Energien von mehreren Gigaelektronenvolt. Die Elektronen schlugen anschließend in einen 40 Zentimeter dicken Bleikonverter ein. Dabei entstanden unter anderem energiereiche Photonen, die im Blei Myon-Antimyon-Paare erzeugen können.
Hinter dem Konverter folgte eine massive Abschirmung aus Polyethylen, Paraffin, zusätzlichem Blei und einer zwei Meter dicken Stahlbetonwand. Sie sollte vor allem Neutronen und Gammastrahlung unterdrücken. Drei für die Muografie entwickelte Szintillatordetektoren registrierten anschließend die Teilchen. Ein mobiler Detektor in einem Fahrzeug wurde in 20, 29 und 42 Metern Abstand vom Konverter eingesetzt.
Die Messungen zeigten einen klar nach vorn gerichteten Teilchenstrahl. Bei 20 Metern Abstand war das Signalmaximum bei halber Höhe 4,51 Meter breit, bei 29 Metern waren es 6,35 Meter. Das entspricht nach Auswertung der Forscher einer Strahlöffnung von rund 12,6 Grad.
Entscheidend war, welche Teilchen das Signal nach der starken Abschirmung tatsächlich bestimmten. Dazu verglich das Team die Messdaten mit detaillierten Geant4-Simulationen, die auf den gemessenen Elektronenspektren der Laserpulse beruhten. Für den Detektor in 20 Metern Entfernung ergaben die Simulationen, dass 86,91 Prozent der im Szintillator deponierten Energie von Myonen stammten. Andere Teilchen trugen zusammen 13,09 Prozent bei.
Die Simulationen zeigen außerdem, dass Myonen mit weniger als 1,5 Gigaelektronenvolt die Detektoren unter diesen Versuchsbedingungen nicht erreichen konnten. Oberhalb von drei Gigaelektronenvolt lag die berechnete Überlebenswahrscheinlichkeit nahe eins. Die beobachteten Signale sind nach Angaben des Teams mit Myonen von einigen Gigaelektronenvolt vereinbar, deren Energien bis etwa sechs oder sieben Gigaelektronenvolt reichen.
Für den eigentlichen Bildgebungstest stellte das Team einen 20 mal 25 mal 100 Zentimeter großen Bleikörper rund 30 Zentimeter vor den mobilen Detektor. Objekt und Detektor befanden sich 23 Meter vom Myonenkonverter entfernt. Die Forscher verglichen anschließend 30 aufeinanderfolgende Laserpulse mit und ohne den Bleikörper im Strahlweg.