- Künstliche Myonenstrahlen können dichte Materialien durchdringen und ermöglichen zerstörungsfreie Prüfung.
- Lasergetriebene Technologie kann bedarfsgesteuert kontrollierbare Teilchenströme erzeugen und die Bildgebung beschleunigen.
- Scandauer verkürzt sich von einem halben Jahr auf wenige Minuten, was die Praxistauglichkeit erhöht.
- Technik lässt sich bei Brückenprüfung und Vulkanaktivitätsvorhersage einsetzen.
Supermans Röntgenblick ist gar nicht so super. Röntgenstrahlen eignen sich zum Durchleuchten dünner Objekte oder für medizinische Scans, aber dicke Betonwände und dichte Bleiabschirmungen blockieren Röntgenstrahlen vollständig. Physiker haben nun eine Lösung gefunden: die Nutzung von Myonen – Teilchen, die durch starke Laser erzeugt werden und dichte Materialien, die Röntgenstrahlen aufhalten, mühelos durchdringen können. Ein Forschungsteam aus Rumänien hat an der Extreme Light Infrastructure – Nuclear Physics (ELI-NP) unter Leitung von Mădălina Dobre erstmals erfolgreich Objekte mit einem lasergesteuerten künstlichen Myonenstrahl abgebildet.
Künstliche Myonenstrahlen verfügen über einstellbare Eigenschaften und sind von großer praktischer Bedeutung für das Scannen dichter Objekte, die andere Bildgebungsverfahren blockieren.
Natürlich entstandene kosmische Myonen der nächsten Scan-Generation können die obere Erdatmosphäre durchdringen und tief in feste Strukturen vordringen, was eine zerstörungsfreie Abbildung versteckter Innerer ermöglicht. Zuvor hatte die „Myonentomografie“ bereits verborgene innere Strukturen kartiert, etwa die 2023 entdeckte geheime Kammer in der Cheops-Pyramide von Gizeh. Doch die Scanzeiten blieben unpraktikabel langsam, da der natürliche Zustrom kosmischer Teilchen extrem gering ist. Aktuelle Anlagen nutzen konventionelle Teilchenbeschleuniger für niederenergetische Strahlen, während hochenergetische Myonen eine lasergetriebene Feldbeschleunigung von Elektronen und deren Wechselwirkung mit festen Targets erfordern.
Bahnbrechende Bildgebungstechnik
Forschern des rumänischen Horia-Hulubei-Nationalinstituts ist es gelungen, die Geschwindigkeitshürde zu überwinden und erstmals Bilder mit einem künstlichen Myonenstrahl zu erzeugen. Ihre lasergetriebene Technologie kann bedarfsgesteuert kontrollierbare Teilchenströme erzeugen und öffnet damit die Tür zu schneller, zuverlässiger praktischer Bildgebung.
Das Team Dobre nutzte den Hochleistungslaser der rumänischen ELI-NP-Anlage, um das erste Bild zu erzeugen, das von künstlichen, lasergetriebenen Myonen dominiert wird. Der Laser beschleunigt Elektronen in einem Gas, lenkt sie auf ein festes Target und erzeugt Lichtpulse, die Myonenpaare produzieren. Nach der Filterung unerwünschter Teilchen durch Plastik, Paraffin und eine 2 Meter dicke Betonwand zeichnete ein Detektor in einem Lieferwagen den Schatten eines Stapels Bleiziegel auf. Der Vergleich der Messwerte mit Computersimulationen bestätigte, dass rund 90 % der detektierten hochenergetischen Teilchen Myonen sind, die dem Quellenmodell entsprechen.
„Durch den Vergleich der Daten mit Monte-Carlo-Simulationen haben wir bestätigt, dass das gemessene Strahlprofil und die Objektbildgebung mit künstlichen Myonen von einigen GeV Energie übereinstimmen. Soweit uns bekannt, stellt dies die erste Demonstration einer von künstlichen, lasergetriebenen Myonen dominierten Bildgebung dar“, schreibt das Team in seiner Preprint-Studie.
Scanzeit drastisch verkürzt
Die ersten Bilder der bedarfsgesteuerten Tiefenscans der Anlage sind noch nicht scharf. Sie wirken körnig, niedrig aufgelöst, eher wie grobe Schatten als hochauflösende Scans. Doch der Machbarkeitsnachweis ändert alles. Die natürliche kosmische Myonentomografie liefert lediglich etwa ein Myon pro Quadratzentimeter und Sekunde, während lasergetriebene Pulse in einem Augenblick Millionen Teilchen erzeugen und die Scanzeit drastisch reduzieren. Die bedarfsgesteuerte Erzeugung gebündelter Myonenstrahlen verkürzt die Scanzeit von ursprünglich einem halben Jahr auf wenige Minuten. Künftige Versionen könnten Ingenieuren ermöglichen, alternde Brücken zu scannen, Geologen beim Kartieren unterirdischer Lagerstätten helfen und Grenzbeamten erlauben, schwer abgeschirmte Nuklearmaterialien tief im Inneren von Containern aufzuspüren.
Auch Vulkanologen könnten die Technik nutzen, um innere Magmakammern und Lavaröhren zu kartieren und so Ausbrüche vorherzusagen.
Anwendungspotenzial der lasergetriebenen Myonentechnik
Der Einsatz lasergetriebener Myonenstrahltechnik bringt einen revolutionären Fortschritt für die Materialprüfung, insbesondere bei der zerstörungsfreien Bildgebung. Die Technologie vermag nicht nur rasch hochenergetische Teilchenströme zu erzeugen, sondern verkürzt die Scanzeiten erheblich und steigert so die Prüfeffizienz. Künftig wird sich das Anwendungsspektrum auf Brückensicherheitsprüfungen, unterirdische Ressourcenerkundung und Vulkanüberwachung ausdehnen, was für die Gewährleistung öffentlicher Sicherheit und Ressourcenmanagement von großer Bedeutung ist.