From Tunnel Overburden Reconstruction to Tidal Measurements via atmospheric muon
HAWL 和 HAWLU 项目通过利用便携式车载探测器成功绘制山地地形，并使用紧凑的升级系统以米级精度测量海底隧道中的潮汐水位变化，展示了动态μ子成像技术的能力。
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在地球深处，一场由肉眼看不见的粒子组成的持续降雨正从天而降。这些是宇宙射线μ子（muons），是高能粒子与大气层碰撞时产生的亚原子碎片。与大多数物质不同，μ子是极其强悍的旅行者；它们可以穿透数百米厚的岩石和水层后才停止。这种独特的能力使它们成为了窥探那些原本无法观测之物的天然探测器。几十年来，科学家一直利用μ子来窥视火山和古代金字塔的核心，通过计数有多少μ子穿透而过，来绘制它们的内部密度图。如果一个结构很致密，穿透的μ子就少；如果它是空心的或密度较低，到达的μ子就会多。虽然这项技术长期以来被用于研究静态物体，但来自韩国的一项新研究展示了如何利用这些粒子实时观察世界的变化，既能追踪车辆穿过山脉的过程，也能追踪海洋有节奏的涨落。
来自中央大学、由徐智元（Jiwon Seo）领导的研究小组开发了一个名为 HAWL 的便携式系统，旨在以两种截然不同的方式测试这些想法。首先，他们想看看能否在穿过隧道驾驶时绘制道路上方的地面图。他们使用塑料闪烁体（一种在μ子经过时会发出闪光的材料）构建了一个探测器，并将其连接到灵敏的传感器上。他们将这个装置安装在汽车后备箱中，并沿着首尔–阳阳高速公路行驶，穿过了47个隧道。当汽车移动时，探测器会计数从上方到达的μ子。当汽车处于隧道内时，μ子必须穿过头顶的山体岩石才能到达传感器。通过分析到达的μ子速率，团队可以计算出上方山体的厚度。他们发现，该系统可以测量隧道长度，精度达到6.0%，并能确定上方岩石的重量，范围在8到400米水当量之间。这意味着单个在公路速度下移动的探测器，就能有效地实时绘制出山脉的轮廓。
研究的第二部分发生在不同的场景中：位于海底的6.9公里长的丽浦（Boryeong）海底隧道。在这里，研究人员并没有移动探测器。相反，他们将探测器固定在原地，持续观察了31天，以观察海洋潮汐如何影响μ子计数。这个想法简单而深刻：随着潮汐上升，隧道上方的海水层变厚，阻挡了更多的μ子。随着潮汐下降，水层变薄，更多的μ子得以通过。团队观察到了完全一致的模式。在测量过程中，每当水位上升时，他们都记录到了μ子数量出现明显的、有节奏的下降。他们计算出，海水每上升一米，μ子计数就会下降1.72%。这一微小但持续的变化证明，他们的探测器足够灵敏，能够从深层地下“称量”海洋的重量。
为了确保这些结果是真实的而非仅仅是天气的变化，科学家检查了其他可能影响计数的因素。他们研究了大气温度和气压，已知这些因素会改变到达地面的μ子数量。然而，他们发现这些天气变化与数据之间没有显著的联系。他们还使用了一种数学技术来分析波动的时机，这揭示了潮汐独特的12.4小时周期，从而证实信号来自海洋而非随机噪声。为了进一步验证他们的发现，他们将探测器在同一条海底隧道中行驶了十次，将移动扫描的结果与隧道的工程计算机模型进行对比。移动扫描的数据与模型完美匹配，证明了探测器的稳定性和准确性。
这项工作表明，μ子探测正在从一种静态绘图工具演变为一种动态监测系统。研究人员证明，便携式设备可以在运动中扫描广阔的地形，而固定式设备可以以米级的精度追踪环境缓慢的自然变化。这些能力为观察我们的星球开辟了新的途径。这种能够测量潮汐和山脉的技术，未来可能被用于监测其他变化的灾害，例如火山喷发前的膨胀、沉陷区域周围的地表移动，或是海啸期间水的快速上升。通过将不可见的粒子转化为地球内部的实时画面，这项研究为理解我们脚下这个动态的世界提供了一种全新的方式。
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