Partikelfysiker har upptäckt en stor, gömt tomrum i Khufus pyramid, den största pyramiden i Giza, Egypten – byggt mellan 2600 och 2500 f.Kr. Upptäckten, publicerad i Natur , gjordes med hjälp av kosmisk strålning och kan hjälpa forskare att ta reda på hur den gåtfulla pyramiden faktiskt konstruerades.

Tekniken fungerar genom att spåra partiklar som kallas myoner. De är väldigt lika elektroner – med samma laddning och en kvantegenskap som kallas spin – men är 207 gånger tyngre. Denna skillnad i massa är ganska viktig eftersom det visar sig att den avgör hur dessa partiklar interagerar när de träffar materia.

Högenergetiska elektroner sänder ut elektromagnetisk strålning, som röntgen, när de träffar fast materia – vilket gör att de tappar energi och fastnar i målmaterialet. På grund av myonens mycket högre massa, denna emission av elektromagnetisk strålning undertrycks med en faktor på 207 i kvadrat jämfört med elektroner. Som ett resultat, myoner stoppas inte så snabbt av något material, de är mycket penetrerande.

Myoner produceras vanligtvis i kosmiska strålar. Jordens övre atmosfär bombarderas ständigt med laddade partiklar från solen men också från källor utanför vårt solsystem. Det är de senare som ger de mer energiska kosmiska strålarna som kan producera myoner och andra partiklar i en kedja av reaktioner.

Eftersom muoner har en relativt lång livslängd och är ganska stabila, de är de mest talrika partiklarna som ses från kosmiska strålar på marknivå. Och även om mycket energi går förlorad på vägen, myoner med mycket höga energier förekommer.

Gör vetenskap med myoner

Partiklarna är ganska lätta att upptäcka. De producerar ett tunt spår av "jonisering" längs vägen de tar – vilket innebär att de slår elektroner från atomer, lämnar atomerna laddade. Detta är ganska praktiskt, tillåta forskare som använder flera detektorer att följa myonens väg tillbaka till dess ursprung. Också, om det är mycket material i vägen för myonen, den kan förlora all sin energi och stanna i materialet och sönderfalla (delas i andra partiklar) innan den upptäcks.

Dessa egenskaper gör muoner till utmärkta kandidater för att ta bilder av föremål som annars är ogenomträngliga eller omöjliga att observera. Precis som ben producerar en skugga på en fotografisk film som exponeras för röntgenstrålar, ett tungt och tätt föremål med ett högt atomnummer kommer att producera en skugga eller en minskning av antalet myoner som kan passera genom det föremålet.

Första gången muoner användes på detta sätt var 1955, när E. P. George mätte överbelastningen av berg över en tunnel genom att jämföra myonflödet utanför och inuti nämnda tunnel. Det första kända försöket att ta ett medvetet "muogram" hände 1970 när Luis W. Alvarez letade efter utvidgade grottor i den andra pyramiden i Giza, men hittade ingen.

Under det senaste decenniet eller så, muon tomography har fått ett lite nytt uppsving. Under 2007, ett japanskt samarbete tog ett muogram av kratern på vulkanen Mt Asama för att undersöka dess inre struktur.

Muon-skanningar används också för att undersöka Fukushimas reaktorrester. I UK, University of Sheffield föreslår att man ska använda mätningar av myonflödet för att övervaka kollagringsplatser.

Utforska Khufu

Det enklaste sättet att använda myoner för att undersöka stora föremål som en pyramid är att leta efter skillnader i myonflödet som kommer genom den. En solid pyramid skulle lämna en skugga eller en minskning av antalet myoner i den riktningen. Om det finns ett stort ihåligt tomrum inuti pyramiden skulle myonflödet ökas i riktning mot det tomrummet. Ju större skillnad det är mellan "solid" och "ihålig" desto lättare blir det.

Allt du behöver göra är att sitta någonstans nära marken, titta lite uppåt från horisonten mot pyramiden och räkna antalet myoner som kommer från alla håll. Eftersom kosmiska myoner måste vara något energiska för att passera genom en hel pyramid och eftersom våra detektors "ögon" är relativt små, vi måste sitta där och räkna ett bra tag, vanligtvis flera månader för att räkna tillräckligt många myoner. På samma sätt som vi har två ögon för att få en 3D-bild av världen i våra hjärnor, vi vill ha två separata detektor-"ögon" för att få en 3D-bild av tomrummet inuti pyramiden.

Det intressanta med det här lagets tillvägagångssätt är att de har valt tre olika detektorteknologier för att undersöka pyramiden. Den första är lite gammaldags men erbjuder en suverän upplösning av den resulterande bilden:fotografiska plattor som blir svärtade av joniseringen. Dessa lämnades i månader i en av de kända kamrarna i pyramiden och analyserades i Japan efter att datainsamlingen var klar.

För den andra metoden användes plastiska "scintillatorer" som producerar en ljusblixt när en laddad partikel passerar genom dem. Den här typen av detektorer används i flera moderna neutrinoexperiment.

Och till sist kammare fyllda med gas, där joniseringen orsakad av de laddade partiklarna kan övervakas, användes för att titta direkt i riktning mot den nyupptäckta grottan.

Den elektroniska signalen från dessa detektorer ringdes direkt tillbaka till Paris via en 3G-datalänk. Naturligtvis är en pyramid med tre kända grottor och ett stort ihåligt galleri inuti lite av ett komplext föremål att ta ett muogram av (den visar bara ljus och mörker). Så ofta måste dessa bilder jämföras med en datorsimulering av de kosmiska myonerna och den kända pyramiden, med vårtor och allt. I detta fall, en noggrann analys av bilderna av de tre detektorerna och datorsimuleringen gav upptäckten av ett 30 meter långt tomrum, hittills okänd, inuti den stora pyramiden i Giza. Vilken stor framgång för en ny verktygslåda.

Tekniken kan nu hjälpa oss att studera den detaljerade formen av detta tomrum. Även om vi inte vet något om strukturens roll, forskningsprojekt som involverar forskare med annan bakgrund skulle kunna bygga vidare på denna studie för att hjälpa oss att upptäcka mer om dess funktion.

Det är fantastiskt att se hur banbrytande partikelfysik kan hjälpa oss att kasta ljus över den äldsta mänskliga kulturen. Kanske bevittnar vi början på en revolution inom vetenskapen – vilket gör den verkligt tvärvetenskaplig.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.