Góry można prześwietlać. Podobnie piramidy, dawne kopalnie, tunele i skalne podziemia. Nie potrzeba do tego wielkiej lampy rentgenowskiej ani wprowadzania ciężkiego sprzętu pod ziemię. Wystarczy promieniowanie docierające do nas z kosmosu i urządzenie zdolne rejestrować cząstki, które niemal bez przeszkód przechodzą przez dziesiątki metrów skały.
Taką właśnie metodę zastosowali fizycy w Grotach Nagórzyckich w Tomaszowie Mazowieckim. Dawna kopalnia piasku, dziś jedna z najważniejszych atrakcji turystycznych miasta, stała się laboratorium, w którym historia spotkała się z fizyką cząstek.
Tajemnica ukryta za skalną ścianą
Gdy turysta idzie udostępnionym korytarzem Grot Nagórzyckich, widzi piaskowiec, ślady dawnych prac górniczych i miejsca, w których kończy się dostępna trasa. Nie wiadomo jednak, co dokładnie znajduje się dalej.
Za ścianą może być zwarta skała. Może być także zasypany korytarz, pusta komora albo fragment dawnego wyrobiska, którego nie zaznaczono na zachowanych planach.
Problem polega na tym, że pełna dokumentacja kopalni nie przetrwała. Dawne mapy zaginęły podczas II wojny światowej, a część korytarzy została zasypana lub odcięta. Odtworzenie prawdziwego układu podziemi przypomina więc składanie wielkiej układanki, z której zniknęła znaczna część elementów.
Tradycyjne badania wymagałyby odwiertów albo prowadzenia pomiarów geofizycznych w wielu punktach. Naukowcy z Uniwersytetu Łódzkiego postanowili jednak wykorzystać naturalne zjawisko zachodzące każdego dnia nad naszymi głowami.
Miony, czyli posłańcy z kosmosu
Wysoko w atmosferze promieniowanie kosmiczne zderza się z atomami powietrza. W wyniku tych zderzeń powstają między innymi miony – cząstki podobne do elektronów, ale znacznie od nich cięższe.
Miony poruszają się z ogromnymi prędkościami i potrafią przenikać przez grube warstwy materii. Większość z nas nawet nie zdaje sobie sprawy, że tysiące takich cząstek stale przechodzą przez nasze ciała, budynki i powierzchnię Ziemi.
Dla człowieka nie stanowi to w tych warunkach zagrożenia. Dla naukowca jest natomiast niezwykle użytecznym narzędziem.
Zasada badania jest stosunkowo prosta. Im więcej skały mion ma do pokonania, tym mniejsza szansa, że dotrze do detektora. Jeżeli jednak na jego drodze znajduje się pusta komora lub korytarz, urządzenie powinno zarejestrować większą liczbę cząstek.
To metoda przypominająca wykonanie zdjęcia rentgenowskiego. Źródłem promieniowania nie jest jednak aparat medyczny, lecz kosmos, a prześwietlanym obiektem nie jest człowiek, ale masyw skalny.
Teleskop ukryty w grotach
W Grotach Nagórzyckich naukowcy ustawili specjalny teleskop mionowy. Urządzenie składało się z czterech plastikowych detektorów o wymiarach 10 na 20 centymetrów, rozmieszczonych na metrowym ramieniu.
Przelatujący mion wywoływał w detektorach niewielkie błyski światła, które następnie zamieniano na sygnał elektryczny. Zdarzenie zapisywano wtedy, gdy kilka sygnałów pojawiało się niemal jednocześnie. Pozwalało to ustalić, z którego kierunku nadleciała cząstka.
Cała konstrukcja obracała się o jeden stopień co trzy minuty. Powoli, kierunek po kierunku, urządzenie badało skałę otaczającą znane korytarze.
Pierwsza seria obserwacji trwała ponad 140 dni. Tak długi czas był konieczny, ponieważ miony docierają do detektora naturalnie i nieregularnie. Naukowcy nie mogą zwiększyć ich liczby ani uruchomić dodatkowego źródła promieniowania. Muszą cierpliwie czekać, aż zgromadzą odpowiednio dużo danych.
Najpierw model, potem porównanie
Samo liczenie cząstek nie wystarczyło. Badacze przekształcili znany plan wyrobisk w model komputerowy. Następnie obliczyli, ilu mionów powinno docierać do teleskopu z poszczególnych kierunków, gdyby skała rzeczywiście wyglądała tak, jak wynika z dostępnej dokumentacji.
W obliczeniach przyjęto w przybliżeniu jednorodną strukturę piaskowca. Uwzględniono również cząstki nadlatujące pod niewielkim kątem ku górze.
Dopiero później naukowcy zestawili model z rzeczywistymi pomiarami.
W kilku kierunkach liczba zarejestrowanych mionów była inna, niż przewidywano. Z niektórych stron docierało ich mniej, z innych więcej. Największe różnice sięgały około dwóch odchyleń standardowych.
Nie jest to jeszcze dowód na odkrycie nowego korytarza, ale wystarczający sygnał, by prowadzić dalsze badania.
Czy pod ziemią znajduje się nieznana komora?
Niedobór mionów z jednego z kierunków odpowiada miejscu, w którym wcześniej doszło do zawalenia korytarza. Większa ilość skały zatrzymuje więcej cząstek, dlatego taki wynik pasuje do znanej sytuacji w podziemiach.
Znacznie ciekawszy jest nadmiar mionów rejestrowany z innych kierunków. Może on oznaczać, że w skale znajduje się nieudokumentowana pustka. Możliwe jest także, że piaskowiec ma tam mniejszą gęstość.
Symulacje wykazały, że pusta przestrzeń o średnicy około pięciu metrów, znajdująca się dziesięć metrów od teleskopu, powinna pozostawić możliwy do wykrycia ślad.
Problem w tym, że pojedynczy pomiar nie pozwala jeszcze dokładnie wskazać położenia takiej struktury. To trochę jak próba ustalenia miejsca, z którego dobiega dźwięk, przy użyciu tylko jednego ucha.
Dlatego teleskop ma być przenoszony do kolejnych punktów. Obserwowanie tej samej anomalii pod różnymi kątami pozwoli naukowcom określić jej położenie i przybliżony kształt.
Nauka potrzebuje cierpliwości
Metoda wykorzystująca miony jest stosunkowo tania i nie wymaga niszczenia skały. Ma jednak jedną zasadniczą wadę – wymaga czasu.
Potwierdzenie, że za ścianą rzeczywiście znajduje się nieznany korytarz, może potrwać wiele miesięcy, a nawet kilka lat. Każde ustawienie urządzenia oznacza konieczność zebrania odpowiednio dużej liczby cząstek.
Mionowy teleskop nie zastąpi geologa, odwiertów ani dokładnych badań geofizycznych. Może jednak wskazać miejsca, w których prowadzenie kosztowniejszych prac ma największy sens.
Dzięki temu można ograniczyć liczbę odwiertów i uniknąć niepotrzebnego naruszania zabytkowych lub niestabilnych struktur.
Od szkolnego projektu do prawdziwych odkryć
Teleskop wykorzystany w Grotach Nagórzyckich powstał w ramach projektu CREDO-Maze jako niedroga stacja służąca do badania promieniowania kosmicznego.
W przedsięwzięcie zaangażowani zostali również uczniowie pobliskiej szkoły średniej. Co kilka dni odczytują oni karty pamięci urządzenia i przesyłają zapisane dane naukowcom.
To szczególnie ciekawy wymiar całego projektu. Urządzenie, które miało pomagać młodzieży poznawać fizykę, stało się narzędziem wykorzystywanym w rzeczywistych badaniach naukowych.
Uczniowie nie obserwują więc eksperymentu wyłącznie z ławki szkolnej. Uczestniczą w procesie, który może doprowadzić do odkrycia nieznanych fragmentów kopalni.
Groty Nagórzyckie jeszcze nie powiedziały ostatniego słowa
Badania przeprowadzili Tadeusz Wibig, Kacper Dorszewski, Michał Karbowiak i Łukasz Radecki z Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Łódzkiego. Wyniki ich prac opublikowano w czasopiśmie naukowym „Applied Sciences”.
Na ostateczne rozwiązanie zagadki ukrytych korytarzy trzeba będzie jeszcze poczekać. Już dziś wiadomo jednak, że Groty Nagórzyckie są nie tylko zabytkiem dawnego górnictwa i atrakcją turystyczną.
Stały się także miejscem nowoczesnego eksperymentu, w którym cząstki powstałe dziesiątki kilometrów nad Ziemią pomagają odtwarzać historię zapisaną pod powierzchnią Tomaszowa Mazowieckiego.
Kosmos zagląda więc pod ziemię. A to, co znajdzie za piaskowcową ścianą, wciąż pozostaje jedną z najbardziej fascynujących lokalnych tajemnic.
Napisz komentarz
Komentarze