大約100美元，你就能繪制礦井地圖。

在20世紀60年代中期，諾貝爾獎得主、物理學家路易斯·阿爾瓦雷斯（Luis Alvarez）產生了一個瘋狂的想法。他提出使用μ子（宇宙射線撞擊地球大氣層時產生的高穿透性亞原子粒子）來尋找吉薩金字塔中的一個密室。

這種μ子粒子是電子的“重量級”表親，它們的運動速度接近光速。它們可以穿透數米厚的堅硬巖石，包括用于建造金字塔的石灰石和花崗巖。但一些μ子會被這種高密度物質吸收，這意味著它們可以用來給金字塔拍攝X光片，從而揭示其內部結構。因此，1968年，阿爾瓦雷斯和他的同事開始在位于哈夫拉金字塔底部的一個房間進行μ子測量。

他們雖然沒有在金字塔里找到密室，但確實證實了μ子斷層掃描的可能性。此后，物理學家利用這項技術發現了隧道上方隱藏的豎井，研究了火山內的巖漿室，甚至探測了福島受損的反應堆。2017年，μ子測量終于揭示了吉薩金字塔中的一個密室，但不是阿爾瓦雷斯選擇探索的那座金字塔。

我們也可以用自己制造的設備進行類似實驗，費用只需100美元左右。

目前有一些文檔齊全的資料可以用于低成本μ子探測器，特別是麻省理工學院的宇宙觀察（Cosmic Watch）項目，但還是決定采用一種更簡單、成本更低的方法。買了兩套蓋革計數器，每套只花了23美元。雖然它被稱為套件，但實際上這個電路板是完全組裝好的，只剩下一個關鍵部件，即用于檢測電離輻射的蓋革-繆勒（GM）管。但沒有關于它的文檔。

找到了這個電路板的信息來源，包括提示如何設置GM管陽極電壓的有價值的說明，缺少文檔就不是問題了。

決定購買我所知道的最好GM管，那就是俄羅斯制造的SBM-20管。eBay上最暢銷的這種GM管大多都來自烏克蘭，但最終從美國的一個供應商處以49美元的價格買到了一對這樣的GM管。

你可能會問：“為什么要兩個套件和兩個GM管？”這是因為，GM管不僅僅對μ子有反應。大多數情況下，它們可被環境中放射性物質所釋放的電離粒子觸發，比如空氣中氡的子產物。

不過，將高能宇宙射線μ子與其他低能粒子區分開來并不難。只需采用物理學家所說的重合法：如果檢測到靠近的GM管幾乎同時被觸發，就意味著一個粒子穿過了兩個GM管。在裝置中，兩個GM管間隔25毫米，這樣來自附近放射性衰變的粒子不太可能有足夠的能量通過兩個GM管。為了進一步降低類似的可能性，在兩個GM管之間放置了一層釣魚用的鉛墜。

為了將疊在一起的GM計數器變成一個重合檢測器，將每塊電路板的輸出（標記為VIN，通常意味著電壓輸入的引腳）連接到了備用的Arduino Nano，只有當兩塊電路板均記錄了計數且時差在1毫秒以內時，才會記錄命中。當然，這意味著探測器只能識別軌跡與GM管平面大致一致、能同時穿過兩個GM管的μ子。

要證明這些結果確實反映了宇宙射線μ子的通量并不困難，只要測量計數率是探測器朝向垂線夾角的函數即可。宇宙射線μ子從天空垂直射入的通量大于水平傳播的通量。在這兩個極端之間，當探測器的平面從垂直方向旋轉到水平方向時，通量應是角度余弦平方的函數。

因此，從垂直開始，用設備從不同角度來計算觸發事件，每次測量至少12個小時。結果與預期的余弦平方變化非常一致。例如，當完全水平時，探測器記錄的值小于垂直時所測值的10%，但并不是0。

即使在水平狀態下，μ子計數值不是0也不奇怪。兩個直徑1厘米的GM管之間只有2.5厘米的距離，探測器的角分辨率非常寬（±22度）。因此，即使將設備設置為檢測水平通量，它也一定能檢測到從水平線以上22度處進入的μ子。

有了這個可用的μ子探測器后，可以開始探索地球，或者說，至少是探索地球的一小部分。到訪位于北卡羅來納州米德蘭的里德金礦，這是美國的第一個商業金礦。我在礦井中待了大約兩個半小時，做了5次30分鐘的測量。可以很輕易地發現了礦井水平主隧道上方越來越厚的巖層。探測器甚至能在一個地方探測到存在豎井，因為在沒有巖石的地方測量到的μ子比在隧道附近測量到的μ子更多。

這些測量需要花費很長的時間，因為需要積累足夠的計數以實現合理的統計精度，所以需要有耐心。但這不失為利用宇宙力量的一種好方法，即使是在地下深處！

來源：悅智網

編輯：亦山

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