Home Education Фізічныя часціцы лётаюць як практычныя прылады

Фізічныя часціцы лётаюць як практычныя прылады

232
0

Апошняя трапеза старажытнага кракадзіла магла б ніколі не выявіцца, калі б не даследчыкі, якія вырашылі прасканаваць выкапні ў скале пучком нейтронаў. Навукоўцы вырашылі даведацца, ці могуць нейтроны — будаўнічыя матэрыялы атамных ядраў разам з пратонамі — даць лепшыя выявы выкапняў, чым рэнтгенаўскія прамяні, і зрабілі ашаламляльнае адкрыццё, што ў крэйдавы перыяд крокад з’еў раней невядомы від малады арнітапод дыназаўр, перш чым ён памёр.

Археалагічны сюрпрыз – толькі адзін з многіх подзвігаў, без якіх было б цяжка ці немагчыма субатомных часціц. Гэтыя малюсенькія кавалачкі матэрыі ўжо даўно цікавыя фізікам, якія імкнуцца зразумець асноўныя законы прыроды, але, як аказалася, яны таксама маюць значна больш практычнае прымяненне. Даследчыкі ўсё часцей звяртаюцца да пратонаў, нейтронаў, мюонаў і нейтрына ў якасці інструментаў для дакладна нацэлены на хітрыя пухліныдаследуючы выкапні і вулканы і выяўляючы схаваныя структуры Зямлі, сярод пастаянна пашыраецца спісу прыкладанняў.

Ракеты-забойцы

Пратонаў шмат. Разам з нейтронамі і электронамі яны з’яўляюцца кампанентамі атамаў, якія складаюць нас і ўсё вакол нас. Па словах Нэнсі Лі з анкалагічнага цэнтра Memorial Sloan Kettering Cancer Center у Нью-Ёрку, калі іх выцягнуць з атамаў і паскараць у паскаральніках часціц, яны становяцца дакладнымі сродкамі барацьбы з ракам, якія з’яўляюцца больш бяспечнымі і эфектыўнымі, чым звычайныя рэнтгенаўскія і гама-прамяні. Горад.

“Пратоны заўсёды лепш”, – кажа Лі. Матэрыяльна-тэхнічная праблема забеспячэння тэрапіі для людзей па разумнай цане з’яўляецца асноўнай прычынай, па якой пацыенты ўсё яшчэ звяртаюцца да іншых варыянтаў. «Зараз чаргавікі [for proton beam therapy] больш за месяц, – кажа яна.

Пратонная тэрапія рака была ўпершыню ўведзена ў 1950-я гады. Але да пачатку 2000-х гадоў менш за 10 000 чалавек скарысталіся гэтым. За два дзесяцігоддзі, якія прайшлі з тых часоў, колькасць павялічылася да прыкладна 200 000 пацыентаў ва ўсім свеце. Лячэбныя збудаванні таксама павялічыліся: ад дзясятка ці каля таго ў пачатку стагоддзя да больш чым 100 сёння.

Лекары могуць наладжваць пучкі пратонаў для дакладнага знішчэння пэўных мішэняў, звычайна ракавых пухлін, без шкоды для бліжэйшых органаў – у адрозненне ад рэнтгенаўскіх і гама-прамянёў, якія гістарычна былі прамянямі для тэрапія рака. Гэтыя дзве разнавіднасці фатонаў, або часціц святла, пашкоджваюць здаровыя тканіны як перад, так і ззаду пухліны, якая з’яўляецца меркаванай мішэнню. З іншага боку, пучкі пратонаў наносяць параўнальна невялікую шкоду тканінам перад пухлінай і не пашкоджваюць тканіны за ёй, дзякуючы таму, як пратоны губляюць энергію, калі яны праходзяць праз матэрыял, у тым ліку праз чалавечае цела.

Калі паскораны пратон трапляе ў ваша цела, ён губляе частку энергіі з-за сутыкненняў з атамамі ў вашых клетках. Але ён не размяркоўвае энергію па сваім шляху так, як гэта робяць фатоны. Замест гэтага пратон вызваляе сваю энергію адным хуткім выбухам, прайшоўшы адлегласць, якая залежыць ад пачатковай энергіі пратона. Рэгулюючы энергію пратонаў, якія выходзяць з паскаральніка, лекар можа выбраць глыбіню пранікнення, якая даставіць іх непасрэдна да мэты.

Гэта падобна на тое, каб адправіць ракету, якая знішчае рак, у пухліну: некаторыя пашкоджанні будуць у выніку шляху ракеты праз цела, але выбух у канцы значна больш разбуральны.

Цяга і электрычны зарад пратона – гэта тое, што дазваляе дакладнае пранікненне. Тэарэтычна часціцы, якія з’яўляюцца больш цяжкімі, будуць яшчэ больш дакладнымі. Даследчыкі даследуюць прамянёвую тэрапію, якая абапіраецца на электрычна зараджаныя атамы вугляроду, якія змяшчаюць шэсць пратонаў і шэсць нейтронаў, што робіць іх значна больш масіўнымі, чым асобныя пратоны. Але Лі падазрае, што пратоны дастаткова добрыя і будуць пераважаць як больш развіты варыянт у агляднай будучыні. І яна лічыць, што пратонная тэрапія неўзабаве стане яшчэ больш эфектыўнай дзякуючы больш кароткім, больш інтэнсіўным метадам лячэння пратонным пучком, вядомым як FLASH-тэрапія, якія знаходзяцца ў распрацоўцы.

Сканеры нейтронаў

Крэйдавы крокад, які ласаваўся дыназаўрам, з’яўляецца прыкладам іншага расце выкарыстання фундаментальных часціц. “Я быў уражаны і спачатку не паверыў у гэта”, – кажа Мэт Уайт, палеантолаг з Універсітэта Новай Англіі ў Аўстраліі, які быў суаўтарам артыкула ў Даследаванні Гандваны апісваючы адкрыццё. «Скамянелае змесціва страўніка надзвычай рэдкае, асабліва [for] кракадзілы, у якіх самая магутная страўнікавая кіслата ў жывёльным свеце». Без нейтроннай тамаграфіі, як вядома гэты від картаграфавання, нішто іншае, як разбіванне выкапняў на часткі, выявіла б няшчаснага дыназа.

Па масе нейтроны падобныя на пратоны, але не маюць электрычнага зарада. Гэта дазваляе ім значна лягчэй праходзіць праз матэрыю. Нейтроны даўно выкарыстоўваліся ў лячэнні рака, але з 1990-х гадоў яны саступілі пратонным пучкам. Гэта іх патэнцыял для стварэння малюнкаў, які ў нашы дні расце.

Нейтроны праходзяць скрозь свінец і іншыя шчыльныя матэрыялы, якія перашкаджаюць рэнтгенаўскім прамяням, забяспечваючы ўнутраны выгляд рухавікоў, паліўных элементаў, паштовых пакетаў і нават ядзерных боегаловак без неабходнасці разразаць іх на часткі. Асноўныя крыніцы візуалізацыі нейтронаў ўключаюць ядзерныя рэактары і паскаральнікі часціц, якія накіроўваюць пратоны высокай энергіі ў мішэні, каб выбіць нейтроны з атамаў цяжкіх металаў, такіх як вальфрам або ртуць.

Гэтыя часціцы шырока выкарыстоўваюцца на працягу многіх дзесяцігоддзяў, але новыя метады візуалізацыі пашыраюць сферу да вывучэння горных парод і адкладаў для геафака, неразбуральнага аналізу мастацтва і старажытнасцей і нават жывых раслін. Люстэрка, адаптаваныя з касмічных тэлескопаў NASA, знаходзяцца на мяжы пашырэння магчымасцей атрымання нейтронных малюнкаў у вельмі малых маштабах. «Мы збіраемся хутка, спадзяюся, рэалізаваць першы практычны нейтронны мікраскоп», – кажа Дэніэл Хасі, фізік з Нацыянальнага інстытута стандартаў і тэхналогій.

Цяжка зрабіць лінзы для нейтронаў, але люстэркі могуць факусаваць часціцы, калі яны зроблены з матэрыялу, які добра адлюстроўвае нейтроны. «Мы запусцілі праект у супрацоўніцтве з [the Massachusetts Institute of Technology] і Цэнтр касмічных палётаў імя Маршала NASA для пераўтварэння люстэркаў з нікелевай фальгі, якія выкарыстоўваюцца ў рэнтгенаўскіх тэлескопах», — кажа Хасі. Нікель аказваецца добрым адбівальнікам для нейтронаў, што, паводле яго прагнозаў, дазволіць камандзе факусаваць інтэнсіўныя пучкі нейтронаў да маштабу мільённай долі метра. У выніку атрымаюцца хуткія нейтронныя здымкі з высокім разрозненнем структур памерам у долю эрытрацыта і новае магутнае акно ў мікраскапічны свет.

Цэнтр іонна-прамянёвых метадаў у Германіі лечыць пухліны вачэй, асабліва харыідэальную меланому, з 1970 года з дапамогай пратоннай тэрапіі. крэдыт: Geilert/Agencja Fotograficzna Caro/Alamy Stock Photo

Практычнае асвятленне часціц

Зямля напоўнена часціцамі, якія прыходзяць з высокіх пластоў атмасферы. Мюоны, больш цяжкія стрыечныя браты электронаў, праходзяць праз наша цела з хуткасцю тысячы ў хвіліну. Прывідных нейтрына яшчэ больш – 100 трыльёнаў слізгаюць праз чалавека сярэдняга росту кожную секунду. Хаця мы звычайна не ведаем пра ліўні часціц, за апошнія некалькі дзесяцігоддзяў навукоўцы пачалі выкарыстоўваць іх для мноства прыкладанняў для атрымання малюнкаў у археалогіі, геалогіі і нават нацыянальнай бяспекі.

Мюоны і многія нейтрына, якія трапляюць на паверхню планеты, пачынаюцца з касмічных прамянёў, якія ўрываюцца ў верхнія пласты атмасферы. Прамяні – гэта ў першую чаргу пратоны, якія зыходзяць ад сонца або бяруць пачатак у глыбокім космасе. Незалежна ад іх крыніцы, яны ствараюць выбух часціц, калі разбіваюцца на атамы ў паветры. Большасць часціц, уключаючы электроны, фатоны і кароткачасовыя піёны, альбо распадаюцца, альбо рассейваюцца і паглынаюцца атмасфернымі газамі. Гэта пакідае мюоны і нейтрына працягваць спускацца да паверхні. Менавіта іх уласцівая жывучасць у параўнанні з іншым смеццем касмічных прамянёў робіць мюоны і нейтрына цікавымі ў якасці зондаў структуры ўнутры аб’ектаў.

«Мюоны сапраўды ідэальныя для дыяпазону памераў ад метраў да метраў [a] некалькі кіламетраў», — кажа Андрэа Джаманка, фізік элементарных часціц з Каталіцкага ўніверсітэта Лувена ў Бельгіі. Яны зручныя для вывучэння вантроб рэчаў памерам да хмарачоса і памерам ад дажджавой бочкі. Гэтыя метады былі вядомыя як мюонная тамаграфія для трохмернай візуалізацыі і мюонная рэнтгенаграфія для двухмернай візуалізацыі, але тэрмін муаграфія больш шырока выкарыстоўваецца для абодвух метадаў у нашы дні.

Першае практычнае прымяненне часціц касмічных прамянёў адносіцца да 1950-х гадоў, калі аўстралійскія інжынеры пракацілі мюонны дэтэктар па тунэлі, які ў канчатковым выніку накіроўваў ваду да электрастанцыі, звязанай з плацінай Гутэга ў Новым Паўднёвым Уэльсе. Ваганні ў колькасці атмасферных мюонаў, якія прайшлі праз тунэль, далі магчымасць вызначыць таўшчыню матэрыялу, які ляжыць на вяршыні тунэля.

Фізік Каліфарнійскага ўніверсітэта ў Берклі Луіс Альварэс падняў планку муаграфіі, калі ўзначаліў каманду па пошуку схаваныя пакоі ў адной з пірамід Гізы у Егіпце ў 1968 г. Вымяраючы атмасферныя мюоны, якія прайшлі праз камень, яны выявілі, што невядомых камер няма. Хаця і расчараванне з археалагічнага пункту гледжання, яно паказала, што мюоны касмічных прамянёў могуць раскрыць унутраную структуру піраміды, не парушаючы ніводнага каменя.

Нягледзячы на ​​​​гэтыя поспехі, сканіраванне, заснаванае на нашчадках касмічных прамянёў, у значнай ступені спынілася да 2003 года, калі колькасць дакументаў і эксперыментаў па мюонных малюнках павялічылася.

«Мы высветлілі, як выкарыстаць рассейванне мюонаў касмічных прамянёў», – кажа Канстанцін Бараздзін, які ўваходзіў у групу Нацыянальнай лабараторыі Лос-Аламоса, якая апублікавала артыкул у часопісе Nature, які дапамог аднавіць тэхналогію візуалізацыі мюонаў. Гледзячы на ​​тое, як мюоны рассейваюцца, калі яны праходзяць праз матэрыял, замест таго, каб проста правяраць, колькі іх паглынаецца, Бараздзін і яго калегі павялічылі раздзяляльнасць малюнкаў, якія яны маглі ствараць. Тэхніка спатрэбілася для маніторынгу ўнутраных памяшканняў электрастанцыі Фукусіма пасля катастрофы ў 2011 годзе. З тых часоў гэта прывяло да стварэння новых сістэм пошуку грузавікоў на прадмет пошуку наркотыкаў, зброі і іншай кантрабанды, нават прадметаў, схаваных у кантэйнерах і сярод матэрыялаў, якія блакіруюць рэнтгенаўскія сканеры.

Апошнія прымянення муаграфіі ўключаюць адсочванне патоку магмы пад вулканамі, маніторынг прыліваў і адліваў і аналіз унутраных памяшканняў збудаванняў, каб зразумець, як старэюць масты, будынкі і ветраныя турбіны. Практычна ўсё, што занадта вялікае або шчыльнае для рэнтгенаўскага выпраменьвання і занадта маленькае для вывучэння з дапамогай сейсмічных хваль, – гэта справядлівая гульня для візуалізацыі мюонаў.

Погляд унутр Зямлі з нейтрына

Калі гаворка ідзе пра Зямлю ў цэлым, нейтрына, атрыманыя касмічнымі прамянямі, знаходзяцца на мяжы прадастаўлення інфармацыі, якую не могуць прапанаваць ніякія іншыя геалагічныя метады. Зонд нейтрына значна глыбей, чым мюоны, таму што ў іх адсутнічае электрычны зарад; яны не збочваюць са свайго шляху электрычна зараджанымі пратонамі і электронамі ў атамах. Яны з невялікім эфектам працякаюць праз што-небудзь значна меншае за планету, але яны патэнцыйна могуць забяспечыць погляд унутр Зямлі, з якім не можа параўнацца ніякая іншая тэхніка.

«Вакол Зямлі ёсць нейтрына, якія паступаюць з усіх бакоў адначасова, таму мы можам атрымаць шмат дадзеных», — кажа Рэбека Пестэс з Virginia Tech, якая прааналізавала патэнцыял будучых дэтэктараў нейтрына для сканавання планеты.

На дадзены момант сейсмалогія дае лепшую карціну нетраў Зямлі. Але Пестэс падазрае, што нейтрына ў канчатковым выніку можа прапанаваць дэталёвы агляд унутранасці планеты дзякуючы незвычайнай асаблівасці: нейтрына трансфармуюцца падчас іх падарожжа, вагаючыся паміж трыма тыпамі, вядомымі як «араматызатары». Хуткасць іх ваганняў залежыць ад хімічнага складу рэчыва, праз якое яны рухаюцца. «Вагальная тамаграфія [can] забяспечваюць больш прамы спосаб вымярэння складу Зямлі», – кажа прафесар Парыжскага гарадскога універсітэта Веранік Ван Элевік.

Нейтрына таксама выцякаюць непасрэдна з ядзерных рэактараў і радыеактыўных адходаў, што прывяло да некаторых прапаноў выкарыстоўваць іх для праверкі міжнародных ядзерных пагадненняў. Дэтэктары, спецыяльна распрацаваныя для атамных падводных лодак, будуць забяспечваць дыягностыку і маніторынг, не патрабуючы доступу да ахоўных зон унутры судна. Аднак гэтая ідэя пакуль папярэдняя.

Гэтыя віды выкарыстання ўяўляюць сабой толькі некаторыя з расце колькасці спосабаў, якімі часціцы могуць быць карыснымі. Няшчасны дыназаўр у чэраве крэйдавага крокуна быў адным з нечаканых адкрыццяў, зробленых у наборы інструментаў для часціц, якія пашыраюцца. Гэта не будзе апошнім.

Source link

Previous articleDenver, Jefferson County school districts raise hourly pay for support staff struggling to afford food and housing
Next articleCongress Should Invest in Student Mental Health (Opinion)