From Tunnel Overburden Reconstruction to Tidal Measurements via atmospheric muon
تُظهر مشروعي HAWL وHAWLU قدرات التصوير الميوني الديناميكي من خلال النجاح في رسم خرائط للتضاريس الجبلية باستخدام كاشف محمول مثبت على مركبة، وقياس تغيرات مستويات المياه المدية في نفق تحت البحر بدقة تصل إلى المتر باستخدام نظام مطور ومدمج.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في أعماق الأرض، تهطل أمطار مستمرة من جسيمات غير مرئية من السماء. هذه هي الميونات الناتجة عن الأشعة الكونية، وهي شظايا دون ذرية تولدت عندما تصطدم جسيمات عالية الطاقة من الفضاء بغلافنا الجوي. وعلى عكس معظم المواد، تُعد الميونات مسافرة قوية للغاية؛ إذ يمكنها اختراق مئات الأمتار من الصخور والمياه قبل أن تتوقف. هذه القدرة الفريدة تجعل منها مجسات طبيعية للنظر داخل الأشياء التي يستحيل رؤيتها بطرق أخرى. ولعقود من الزمن، استخدم العلماء الميونات لاستكشاف أعماق البراكين والأهرامات القديمة، ورسم خرائط لكثافتها الداخلية عبر عدّ عدد الميونات التي تعبر من خلالها. فإذا كان الهيكل كثيفاً، تمر عبره ميونات أقل؛ وإذا كان مجوفاً أو أقل كثافة، تصل ميونات أكثر. وبينما استُخدمت هذه التقنية لفترة طويلة لدراسة الأجسام الثابتة، تُظهر دراسة جديدة من كوريا الجنوبية كيف يمكن استخدام هذه الجسيمات لمراقبة العالم وهو يتغير في الوقت الفعلي، وتتبع حركة مركبة عبر جبل، وكذلك الارتفاع والانخفاض الإيقاعي للمحيط.
قام فريق من الباحثين من جامعة تشونغ آن، بقيادة جيوون سو، بتطوير نظام محمول يسمى HAWL لاختبار هذه الأفكار بطريقتين مختلفتين تماماً. أولاً، أرادوا معرفة ما إذا كان بإمكانهم رسم خريطة للأرض الموجودة فوق طريق أثناء القيادة عبر الأنفاق. قاموا ببناء كاشف باستخدام "الموسعات الوميضية البلاستيكية" (plastic scintillators)، وهي كتل من المواد تومض بالضوء عند مرور ميون من خلالها، وربطوها بمستشعرات حساسة. قاموا بتثبيت هذا الجهاز في صندوق سيارة وقادوا على طول طريق سيول-يانغ يانغ السريع، مروراً بسبعة وأربعين نفقاً. وبينما كانت السيارة تتحرك، كان الكاشف يعد الميونات القادمة من الأعلى. وعندما كانت السيارة داخل النفق، كان على الميونات أن تسافر عبر صخور الجبل فوقها لتصل إلى المستشعر. ومن خلال تحليل معدل وصول الميونات، تمكن الفريق من حساب سمك الجبل فوقهم. ووجدوا أن نظامهم يمكنه قياس أطوال الأنفاق بدقة تبلغ 6.0 بالمئة وتحديد وزن الصخور فوقها، والتي تراوحت بين 8 إلى 400 متر من مكافئ الماء. وهذا يعني أن كاشفاً واحداً يتحرك بسرعات الطرق السريعة يمكنه فعلياً رسم خريطة لتضاريس سلسلة جبلية في الوقت الفعلي.
أما الجزء الثاني من الدراسة فقد جرى في بيئة مختلفة: نفق بوريونغ البحري، وهو ممر يمتد لمسافة 6.9 كيلومتر تحت سطح البحر. هنا، لم يقم الباحثون بتحريك الكاشف، بل تركوه ثابتاً في مكانه لمدة واحد وثلاثين يوماً لمراقبة كيفية تأثير مد وجزر المحيط على عدد الميونات. كانت الفكرة بسيطة ولكنها عميقة: مع ارتفاع المد، تصبح طبقة مياه البحر فوق النفق أكثر سمكاً، مما يحجب المزيد من الميونات. ومع انخفاض المد، ترق طبقة المياه، وتمر ميونات أكثر. وقد لاحظ الفريق هذا النمط بدقة؛ فخلال فترة قياسهم، سجلوا انخفاضاً إيقاعياً واضحاً في عدد الميونات كلما ارتفع مستوى الماء. وحسبوا أنه مقابل كل متر يرتفع فيه المد، ينخفض عدد الميونات بنسبة 1.72 بالمئة. هذا التغيير الصغير ولكن الثابت أثبت أن كاشفهم كان حساساً بما يكفي لوزن المحيط نفسه من أعماق الأرض.
ولضمان أن هذه النتائج حقيقية وليست مجرد تباين في الطقس، تحقق العلماء من عوامل أخرى قد تؤثر على العدد. بحثوا في درجة حرارة الغلاف الجوي وضغطه، والمعروف بتأثيرهما على عدد الميونات التي تصل إلى الأرض. ومع ذلك، لم يجدوا أي صلة ذات دلالة بين تغيرات الطقس هذه وبياناتهم. كما استخدموا تقنية رياضية لتحليل توقيت التقلبات، والتي كشفت عن دورة المد والجزر المتميزة البالغة 12.4 ساعة، مما أكد أن الإشارة ناتجة عن المحيط وليس ضجيجاً عشوائياً. ولتأكيد نتائجهم بشكل أكبر، قادوا الكاشف عبر نفس النفق البحري عشر مرات، وقارنوا عمليات المسح المتحركة بنموذج حاسوبي لهندسة النفق. وطابقت البيانات من عمليات المسح المتحركة النموذج تماماً، مما أثبت أن الكاشف كان مستقراً ودقيقاً.
يُظهر هذا العمل أن الكشف عن الميونات يتطور من أداة لرسم الخرائط الثابتة إلى نظام مراقبة ديناميكي. لقد أثبت الباحثون أن جهازاً محمولاً يمكنه مسح مناطق شاسعة من التضاريس أثناء الحركة، وأن جهازاً ثابتاً يمكنه تتبع التغيرات الطبيعية البطيئة في البيئة بدقة تصل إلى مقياس المتر. وتفتح هذه القدرات الباب أمام طرق جديدة لمراقبة كوكبنا. فالتقنية نفسها التي قامت بقياس المد والجزر والجبال يمكن استخدامها محتملاً لمراقبة المخاطر المتغيرة الأخرى، مثل انتفاخ البركان قبل ثورانه، أو تحرك الأرض حول حفرة غائرة، أو الارتفاع السريع للمياه أثناء تسونامي. ومن خلال تحويل الجسيمات غير المرئية إلى بث مباشر لداخل الأرض، يقدم هذا البحث طريقة جديدة لفهم العالم الديناميكي تحت أقدامنا.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.