News: Himmlische Einblicke
Kaum auszudenken, was passiert, wenn große Mengen stark radioaktiven Materials in die falschen Hände geraten. Es gilt, den illegalen Handel mit Plutonium und Uran möglichst zu unterbinden. Dabei hoffen Wissenschaftler jetzt auf kosmischen Beistand.
© Los Alamos National Laboratory (Ausschnitt)
Ein Lastwagen, beladen mit Schafen, wird an der deutsch-niederländischen Grenze angehalten und durchsucht: Verdacht auf Plutoniumschmuggel. Doch die Grenzschützer können nichts finden. Was könnten die Beamten in diesem fiktiven Szenario tun? Eine einfache Lösung wäre es, den gesamten Wagen zu röntgen.
Doch besonders dichte Materialien – einen Bleibehälter etwa – vermag auch Röntgenstrahlung nicht zu durchdringen. Außerdem liefern die Bilder zunächst keine dreidimensionale Abbildung der durchleuchteten Objekte. Dafür sind mehrfache Bestrahlungen aus unterschiedlichen Winkeln nötig. Und schließlich stellen die Strahlen eine gesundheitliche Belastung für das anwesende Personal dar.
Konstantin Borozdin und seine Kollegen vom Los Alamos National Laboratory schlagen daher vor, sich einer anderen Strahlung für solche Zwecke zu bedienen. Einer Strahlung, von der wir ständig durchdrungen werden und die aus den Weiten des Weltalls zu uns gelangt.
Denn jeden Augenblick wird die Erde geradezu bombardiert von kosmischen Teilchen – überwiegend Protonen –, die wahrscheinlich größtenteils bei einer Supernova ins Weltall geschleudert wurden. Sie treffen mit hoher Geschwindigkeit auf die Atmosphäre, kollidieren mit den Molekülen und Atomen der Luft und werden schließlich meist absorbiert. Dabei entstehen andere exotische Teilchen, die auf der Erde sonst nicht vorkommen: Myonen.
Das Myon ist eine Art schwerer Zwilling des Elektrons. Es hat die gleichen Eigenschaften wie dieses Elementarteilchen, ist aber über 200-mal schwerer und zerfällt außerdem nach sehr kurzer Zeit. Deswegen erreichen auch nur die schnellsten dieser atmosphärischen Myonen, also solche, die mit beinahe Lichtgeschwindigkeit reisen, den Erdboden. Diese Teilchen sind dann meist sogar so schnell, dass sie einige Kilometer in den Erdboden eindringen können. Und genau diese Eigenschaft macht sie so interessant für die Forscher.
Zudem sind sie ohnehin allgegenwärtig, stellen also keine zusätzliche Strahlenbelastung dar, und es sind keine großen Geräte nötig, um sie zu erzeugen. Doch eignen sich diese Teilchen tatsächlich als Alternative zum Röntgen? Um dies zu testen, platzierten Borozdin und seine Kollegen vier Detektoren mit einer aktiven Fläche von je 60 Quadratzentimetern um einen Wolfram-Zylinder als Test-Objekt.
Die oberen beiden Nachweisgeräte sollten einfallende Myonen registrieren und die zwei unteren Detektoren austretende. Da die Teilchen genau wie Elektronen elektrisch negativ geladen sind, werden sie vom elektrischen Feld der positiv geladenen Atomkerne abgelenkt. Coulomb-Streuung nennt sich das. Mit dem Winkel des austretenden Teilchens zur ursprünglichen Flugbahn sollte sich theoretisch die Lage der Atome im durchquerten Material rekonstruieren lassen – zumindest wenn das Material sehr dicht ist.
Und tatsächlich konnten die Forscher allein durch die Beobachtung der Flugbahn von atmosphärischen – also natürlich vorkommenden – Myonen, die Form und die Lage des Wolframzylinders abbilden – und das auch noch auf Anhieb in 3-D. Sogar die Stahlbalken der Plastikplatte, auf welcher der Zylinder ruhte, waren sichtbar.
Gleichzeitig stimmte das Bild perfekt mit der theoretischen, via Computer erstellten Abbildung überein. Simulationen von größeren und komplexeren Objekten zeigten zudem, dass sich mit Hilfe der kosmischen Teilchen sogar ein nur 10 Kubikzentimeter großer Uran-Würfel in einem großen Metallcontainer voller Schafe zuverlässig aufspüren lassen sollte – und das schon nach einer Minute Belichtungszeit.
Mit atmosphärischen Myonen ließen sich also theoretisch Frachtcontainer und sogar Privatfahrzeuge schnell, bequem und sicher auf radioaktives Schmuggelgut untersuchen. Und die Insassen müssten noch nicht einmal aussteigen.
Doch besonders dichte Materialien – einen Bleibehälter etwa – vermag auch Röntgenstrahlung nicht zu durchdringen. Außerdem liefern die Bilder zunächst keine dreidimensionale Abbildung der durchleuchteten Objekte. Dafür sind mehrfache Bestrahlungen aus unterschiedlichen Winkeln nötig. Und schließlich stellen die Strahlen eine gesundheitliche Belastung für das anwesende Personal dar.
Konstantin Borozdin und seine Kollegen vom Los Alamos National Laboratory schlagen daher vor, sich einer anderen Strahlung für solche Zwecke zu bedienen. Einer Strahlung, von der wir ständig durchdrungen werden und die aus den Weiten des Weltalls zu uns gelangt.
Denn jeden Augenblick wird die Erde geradezu bombardiert von kosmischen Teilchen – überwiegend Protonen –, die wahrscheinlich größtenteils bei einer Supernova ins Weltall geschleudert wurden. Sie treffen mit hoher Geschwindigkeit auf die Atmosphäre, kollidieren mit den Molekülen und Atomen der Luft und werden schließlich meist absorbiert. Dabei entstehen andere exotische Teilchen, die auf der Erde sonst nicht vorkommen: Myonen.
Das Myon ist eine Art schwerer Zwilling des Elektrons. Es hat die gleichen Eigenschaften wie dieses Elementarteilchen, ist aber über 200-mal schwerer und zerfällt außerdem nach sehr kurzer Zeit. Deswegen erreichen auch nur die schnellsten dieser atmosphärischen Myonen, also solche, die mit beinahe Lichtgeschwindigkeit reisen, den Erdboden. Diese Teilchen sind dann meist sogar so schnell, dass sie einige Kilometer in den Erdboden eindringen können. Und genau diese Eigenschaft macht sie so interessant für die Forscher.
Zudem sind sie ohnehin allgegenwärtig, stellen also keine zusätzliche Strahlenbelastung dar, und es sind keine großen Geräte nötig, um sie zu erzeugen. Doch eignen sich diese Teilchen tatsächlich als Alternative zum Röntgen? Um dies zu testen, platzierten Borozdin und seine Kollegen vier Detektoren mit einer aktiven Fläche von je 60 Quadratzentimetern um einen Wolfram-Zylinder als Test-Objekt.
Die oberen beiden Nachweisgeräte sollten einfallende Myonen registrieren und die zwei unteren Detektoren austretende. Da die Teilchen genau wie Elektronen elektrisch negativ geladen sind, werden sie vom elektrischen Feld der positiv geladenen Atomkerne abgelenkt. Coulomb-Streuung nennt sich das. Mit dem Winkel des austretenden Teilchens zur ursprünglichen Flugbahn sollte sich theoretisch die Lage der Atome im durchquerten Material rekonstruieren lassen – zumindest wenn das Material sehr dicht ist.
Und tatsächlich konnten die Forscher allein durch die Beobachtung der Flugbahn von atmosphärischen – also natürlich vorkommenden – Myonen, die Form und die Lage des Wolframzylinders abbilden – und das auch noch auf Anhieb in 3-D. Sogar die Stahlbalken der Plastikplatte, auf welcher der Zylinder ruhte, waren sichtbar.
Gleichzeitig stimmte das Bild perfekt mit der theoretischen, via Computer erstellten Abbildung überein. Simulationen von größeren und komplexeren Objekten zeigten zudem, dass sich mit Hilfe der kosmischen Teilchen sogar ein nur 10 Kubikzentimeter großer Uran-Würfel in einem großen Metallcontainer voller Schafe zuverlässig aufspüren lassen sollte – und das schon nach einer Minute Belichtungszeit.
Mit atmosphärischen Myonen ließen sich also theoretisch Frachtcontainer und sogar Privatfahrzeuge schnell, bequem und sicher auf radioaktives Schmuggelgut untersuchen. Und die Insassen müssten noch nicht einmal aussteigen.
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