ギザの大ピラミッドを透視する――宇宙線で内部構造をスキャンする断層画像解析技術を開発

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アメリカのフェルミ国立加速器研究所のプロジェクトチームが、エジプトのギザにある大ピラミッドを宇宙線でスキャンすることにより、ピラミッド内部にある空洞に何があるか探索する計画を推進している。宇宙線が大気中の原子に衝突して生成されるミュオン粒子(μ粒子)が、ピラミッドを透過する際に得られる透過像を、まるで健康診断のレントゲン撮影のように観察するものだ。この原理は既に半世紀前に実証されているが、先端的な高感度検出器を装備した大きな望遠鏡を活用するとともに、ピラミッドを全方位からスキャンして得られる膨大なデータから画像再構成アルゴリズムを駆使して、高精度の画像を得ることができると期待している。研究論文が、2022年2月16日に論文公開ウェブサイトarXiv(物理)に掲載されている。

宇宙から飛来する一次宇宙線が大気中の原子に衝突するとき、ニュートリノとミュオンの2種類の素粒子が生成され、地表に降り注ぐ。ミュオンは1936年に発見され、X線の透過力を遥かに超える数十m~1kmの透過性を有することが判った。また、ミュオンは電子の数百倍も大きいため、岩石や空洞など物質密度の違いによってその透過性が変化するため、地下資源探査や巨大構造物の内部解析などへの応用が検討されてきた。

特に有名なのは、隕石衝突による恐竜絶滅説を提唱したことでも知られるアメリカのノーベル賞学者ルイス・アルヴァレズ博士が、カフラー王のピラミッドに隠された部屋を探索するために、1970年に行ったミュオンによる探査実験である。近年では、火山内部や地質断層帯の画像化や、溶鉱炉など巨大産業プラント内部の可視化などへの応用が期待されている。

フェルミ国立加速器研究所の大ピラミッド探索プロジェクトチームは、最先端の高感度検出技術や画像再構成アルゴリズムを駆使することにより、半世紀前の実験を遥かに超える考古学上の大発見を果たすことにチャレンジしている。クフ王の時代、紀元前2551年から2528年に建造されたギザの大ピラミッドは、古代エジプトで建造された最も大きなピラミッドだが、過去のスキャン断層調査によって明かされてきた2つの空洞に何があるかは、未だ解明されていない。

プロジェクトチームの計画では、これまで用いられてきた検出装置よりも100倍も高い感度を持つ、長さ12m幅2.5m高さ3mにも及ぶ大きな望遠鏡システムを活用する。このような大きな検出システムはピラミッド内部に設置することができないので、ピラミッド基底部の周囲に設置するとともに周囲に沿って移動させる。この方法によって全角度から膨大な量のミュオンを観測することができ、開発中の画像再構成アルゴリズムを駆使して高精度の画像を得ることができると期待している。このプロジェクトが目指すミュオンによるスキャン断層画像解析技術は、地下資源探査、断層帯や地滑り面の解析、火山内部調査、巨大産業構造物の診断など、様々な分野に展開できるため、宇宙線ミュオンによる断層画像解析分野において大きな転換点になると考えている。

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Tomographic Muon Imaging of the Great Pyramid of Giza

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