Osynlig för blotta ögat, myoner är elementarpartiklar som skapas av kosmiska strålars kollisioner med molekyler i den övre atmosfären. Dessa myoner strålar ständigt ner på jordens yta i olika vinklar. Eftersom myoner passerar genom material, forskare sedan 1960-talet har vänt sig till dem för att "se" insidan av strukturer, såsom pyramiderna i Giza.

Nu myonerna, en gång användes för att utforska insidan av både pyramider och vulkaner, gör det möjligt för forskare att se djupt under jorden med ett tekniskt genombrott från PNNL.

Genom att placera detekteringsutrustning – ungefär lika stor som en liten bil – bredvid en struktur, som en pyramid, forskare kan mäta anomalier i flödet av myoner som passerar igenom. Anomalierna – specifikt förändringar i antalet myoner som träffar detektorerna varje sekund – visar en förändring i densitet inom strukturen eller objektet. I fallet med en pyramid, anomalier indikerade närvaron av krypter eller dolda kammare.

På grund av deras stora storlek, nuvarande myondetektorer kan bara avbilda underytan om de placeras i underjordiska gruvor eller tunnlar. För att effektivt användas för att skapa 3D-bilder av underjordiska koldioxidplymer eller oljereservoarer, och så småningom kunna övervaka förändringar med tiden, myondetektorer behöver ett sätt att gå djupare och "se" mer. Men hur får vi en detektor stor som en liten bil tusentals fot under jorden?

Forskare vid PNNL och deras partners har skapat en borrhålsstor myondetektor - bara fem tum i diameter och cirka två fot lång - som kan sättas in djupt i jorden. Denna första enhet i sitt slag - finansierad av DOE Office of Fossil Energy (Offsite länk) som en del av Subsurface Technology and Engineering Research (SubTER) Crosscut - är ett banbrytande framsteg för underjordisk densitetsavbildning.

Som ingen överraskning, att bygga en sådan detektor och datormetoderna för att översätta muonavvikelser till densitetsbilder krävde en del aktiva medverkan från partners:

• University of Hawaii:Anpassad elektronik
• University of Utah:Simulering för olika mönster
• Los Alamos National Laboratory (LANL):Jämförelse (riktmärke) med stora detektorer, och datormetoder för att koppla myon- och gravitationsdata
• Sandia National Laboratories (SNL):Jämförelse med stora detektorer
• Lawrence Livermore National Laboratory:Datormetoder för att koppla myon- och seismiska data
• Paulsson Inc.:Instrumentförpackning för användning i borrhål Prototyp av den borrhålsstora myondetektorn

Befintliga stora detektorer rymmer flera scintillatorplan - lager av ett material som producerar ljusblixtar när de träffas av en myon. Den första prototypen av borrhålsmyondetektor består av 30 horisontella långa scintillerande stavar i två lager och 60 korta vinkelräta stavar i två lager, optiska fibrer, ljussensorer, och elektronik för att upptäcka varje myon som passerar genom enheten. Flera datorsimuleringar av myonbanor har utförts för att välja den optimala geometrin för de olika lagren. Detektorn räknar myonerna men bestämmer också deras banor vilket krävs för att bygga en 3D-densitetsbild.

Den färdiga prototypen distribuerades i PNNL:s Shallow Underground Laboratory för ett första framgångsrikt test i maj 2016. Den skickades sedan till LANL i början av juni för att testas i en tunnel där den kommer att samla in data under två månader. Forskargruppen kommer att jämföra dessa data med de från två större detektorer som utvecklats av LANL och SNL utplacerade i samma tunnel.

Utformningen av den andra prototypen är på god väg. Baserat på lärdomarna från den första prototypen, PNNL forskare, i nära samarbete med University of Hawaii, designar ett uppdaterat instrument med större känslighet och kontroller för orientering i vertikala och horisontella borrhål.