看穿大地的「眼睛」

《西遊記》第七回中，孫悟空在太上老君的煉丹爐中煉出一雙「火眼金睛」，這雙神奇的眼睛不僅能看穿妖精原形，還能夠隔板看物，在第46回，悟空就憑這個本領狠狠戲弄了車遲國的國師。如今，隨著科學與技術的發展，現實中這樣隔物看物的「火眼金睛」已相當普及，比如，在地鐵與機場里隨處可見的X——光安檢系統。今天要介紹的，卻是能夠看穿大地的「火眼金睛」——利用繆子的斷層成像技術。

什麼是繆子？

世間的可見物質都可以一層層地拆分下去：宏觀結構、微觀結構、分子結構，直到原子結構。原子是由原子核與核外電子構成，原子核又是由質子與中子構成，質子與中子統稱為核子。核子本身也有結構，它們由更基本的粒子構成。

標準模型是現代粒子物理學的核心，它可以用來解釋我們這個宇宙由哪些最基本的粒子構 成，即費米子與玻色子。費米子是組成物質的基本粒子，而玻色子則負責在物質之間傳遞各種相互作用的力。光子是最常見的玻色子，它傳遞電磁相互作用；在夸克之間傳遞強相互作用的是膠子；在夸克、 輕子之間傳遞弱相互作用的是W與Z玻色子；而在所有物質之間傳遞引力相互作用的是希格斯子，也稱引力子。標準模型預言的所有基本粒子目前都已經找到。費米子主要包括夸克與輕子，核子是由六種夸克中的上夸克與下夸克組合而成，圍繞原子核旋轉的電子屬於輕子。在輕子家族中，電子屬於第一代，第二代叫繆子（muon，即μ－子），第三代叫陶子（tauon，即τ－子），電子、繆子和陶子還分別擁有各自對應的中微子。目前還沒有發現任何輕子具有內部結構，輕子與物質之間主要是電磁與弱相互作用。

1936年，繆子被發現，並被稱為繆介子。後來經研究發現，它沒有強相互作用，基本性質屬於輕子，而介子是由夸克構成，並具有強相互作用，故稱其為繆介子是錯誤的【1】。繆子的基本性質與電子類似，但它的質量約為電子的200倍，像一個加重的電子，故可用繆子取代電子，形成一種類似原子的結構，這種結構稱為繆原子。這種奇異的原子結構已經超出目前的化學元素周期表。比起位於化學元素周期表中的電子原子，繆原子具有更小的庫侖位壘，故而具有一些特殊用途，例如，用來產生室溫下的冷聚變。

繆子因為質量大，受磁場的加速與偏轉比電子要慢，也不容易發出軔致輻射，這使得它在物質中的穿透比電子更深。通常放射性衰變、核裂變，甚至核聚變都無法產生繆子，地球上的繆子主要來自宇宙射線，即太空中的高能粒子流，主要成分是由恆星拋射出來的質子。這些高能質子與外層大氣分子發生碰撞，生成了派介子（pion，或 pi-meson，π－介子），派介子再衰變成繆子和中微子，產生的繆子幾乎以光速沖向地面，可以穿透很深的地層。四川錦屏山地下實驗室是目前世界上最深的地下實驗室，其岩層厚度約2700米，在那裡仍然可以探測到來自宇宙射線的繆子。

宇宙射線繆子的生成示意圖

繆子很不穩定，其靜止壽命為2．2微秒，這個壽命相對大多數高能粒子已經是「長壽」的了。但是，繆子通常在地面萬米以上的高空產生，以光速飛行2．2微秒只能運動約660米，那為什麼還能在地下2千米處被測量到呢？這是因為相對論的鐘慢效應。2．2微秒是在繆子自身靜止參照系中的時間，當它以接近光速運動時，在地面看來，它的壽命很長，長到足夠穿透數千米深的地層。繆子通常會通過弱相互作用衰變為一個電子、一個反電子中微子和一個繆子中微子。

什麼是斷層成像？

在物理學上，任何射線或能量波經物體表面反射或者穿透物體之後被探測到，均可成像。最常見的就是可見光成像，其它廣泛用於成像的還有紅外線、電子、超聲波、X－光等。隨著核物理與粒子物理學發展，人們對基本粒子的認識越來越透徹，探測技術越來越先進，利用常見粒子的成像技術也隨之成熟，中子照相、伽瑪照相等已有廣泛應用。

斷層成像（tomography），也被稱為計算機輔助斷層成像（Computer Aided Tomography），通常簡寫作CAT或CT。CT需要使用X-光、超聲波、地震波或者電磁波作為相應的能量波，能量波在物質中會被反射、衰減或吸收，在適當位置對通過物質的能量波進行探測，根據能量波的變化並通過軟體可以計算出被探測物體的形狀或成分等。能量波可以使用專門設備產生，如X-光機或超聲波，也可以利用天然射線，如繆子束。

隨著計算機技術的發展，斷層成像已在各方面得到了充分應用，比如X－光片與CT已是非常普遍的醫療診斷工具。

將斷層成像技術應用於地質研究，在英文中該技術叫geotomography【2】，此處譯為「地質斷層成像」，由詞根geo－（代表地理的、地層的）和tomography（斷層成像）構成。地質斷層成像通常經分散在地表或地面以下不同位置的發射裝置來發射能量波，再於恰當位置對能量波進行探測，通過軟體技術對地層結構進行成像。

德國圖賓根大學所做的GPR地質斷層成像示意圖

地質斷層成像最常用的手段是地面穿透雷達，即GPR【3】技術。它通過雷達天線向地面發射高頻電磁波（通常在40到1500兆赫），再在其他位置利用雷達接收器接收反射的電磁波。緩慢在地表移動發射天線，可以得到連續的地表層成像。GPR的探測深度與地層情況有關，在乾燥的砂礫型地表，探測深度可接近8米，但很少能夠超過10米。德國圖賓根大學的研究人員曾利用地面穿透雷達技術嘗試進行地質斷層成像【4】。這項技術可對河谷內的沉積結構與水文特徵進行高精度成像，是水文地質研究的利器。

繆子能夠穿透千米深的地層，這個距離把地面穿透雷達能達到的深度甩得很遠。如果把繆子作為穿透射線，可以研究更深範圍的地層，聽上去是個不錯的主意。

繆子探測與繆子成像

繆子穿透物質時會發生電離與放射性過程，其中放射性過程包括軔致輻射、直接產生正負電子對和光核相互作用。電離是繆子穿透物質的主要能量損失方式。對繆子的探測相對比較容易，由於它沒有強相互作用，探測精度很高，本底也很小。

繆子的探測分為兩個過程：首先是粒子鑒別，即把繆子與其它粒子區別開來；然後是繆子的具體參數，比如能量與位置等。由於宇宙射線繆子通常能量很高，很少有粒子象繆子那樣能夠穿過大體積的吸收體而只損失很少的能量，依據這個特點，可以很容易地識別繆子。常見的繆子探測器有閃爍體、氣體電離室等。通常閃爍體探測器只作為繆子計數器，即記錄有多少個繆子通過。對繆子詳細參數的探測常使用氣體電離室探測器，比如漂移管、陰極條狀腔室（CSC：cathode strip chambers）等，它們可用於測量繆子位置與能量。

利用繆子斷層成像做貨廂掃描的原理示意

宇宙射線產生的繆子和陽光一樣，是天然的射線源。隨著繆子探測技術的成熟，利用這個天然射線源進行成像也是很自然的選擇。繆子成像技術雖然說不上很新，但應用並不廣泛，其中比較有特色的有：

1955年，E．P．George等人利用繆子成像測量了隧道上的覆蓋物，這是繆子成像應用的最早案例。

1970年，L．W． Alvarez等人利用繆子測量了位於埃及開羅西南處約20公里的吉薩第二大金字塔卡夫拉，確認了其中並不象其它金字塔那樣存在額外的墓室【5】。

2010年，日本東京地震研究所發表了利用繆子成像對淺間活火山進行軸向成像的結果，可以看到火山內部的詳細結構【6】。

在德克薩斯大學奧斯汀分校還有一個瑪雅繆子研究組【7】，他們利用繆子成像來研究瑪雅金字塔遺迹，獲得了其覆蓋層的三維圖像。

由於繆子與高原子序數的核相互作用明顯，很容易用於識別較重的燃料核素，因此，將繆子成像技術用在核反應堆上，對運行中反應堆的內部結構尤其是其中的燃料棒進行監視，也就順理成章了。今年，日本【8】與美國【9】分別發表了相關研究的論文。

繆子斷層成像的應用實例，分別為（從左到右，從上到下）：測量隧道覆蓋物（1955）、測量埃及金字塔（1970）、瑪雅遺迹研究、測量火山結構（2010）

對金字塔、火山進行的成像屬於地質斷層成像。由於繆子能夠穿透很深的地層，利用繆子進行地質斷層成像，即便是很深的地層，對於繆子成像探測器也像半透明的玻璃一樣，可以「看」得很清楚。

繆子地質斷層成像在探礦中的應用

由於礦石的密度通常比普通岩石要大，能否利用繆子地質斷層成像獲得一個礦區詳細的礦石儲量與分布呢？答案是肯定的。但能夠對多大範圍的礦區進行成像，採用哪種探測器成本更低廉，哪種分析方法更高效，這些非常具體的技術細節決定了這種技術的實用性。

科學研究一般是利用已知去認識未知。對於繆子地質斷層成像應用於礦區勘探，我們已經知道的是繆子性質、探測方法、可參考的一般成像方法，未知的是需要哪種探測器、哪種分析演算法，以及採用某種方案最終能夠達到什麼效果。要知道未知的參數，就需要進行反覆的實驗測量、核實和提高精度。

由於核物理與粒子物理的實驗設備昂貴，過程複雜，實驗的實施通常都相當不易。但物理學在定量方面是其它學科難以比擬的，也這使得物理研究能在實施實驗之前進行非常充分的計算。在計算機尚未充分發展以前，研究人員會利用已知數據與規律做初步計算，比如利用繆子在物質穿越過程中的能量損失公式來計算所需要的探測器厚度與可能響應等。

計算機技術的進步，不僅讓計算速度更快，也改善了物理學研究的實驗過程。以賭城蒙特卡羅所命名的數學方法發展於二十世紀四十年代，它的突出特點是可以將一些過於複雜的計算簡化成符合一定規則的隨機過程，從而讓一些看似無法解決的計算變為可能，在計算機性能極大提高的情況下，又使得許多計算變得高效。現代核物理與粒子物理研究，在實驗前通常會利用蒙特卡羅方法對方案進行非常仔細的模擬計算，利用計算機排除不合理或無效的方案，挑選出合理的、效率最高的方案。在實施具體的繆子斷層成像實驗之前，實驗人員會把整個實驗方案設計編製成計算機程序，利用專門的蒙特卡羅方法仿照真實情況對整個實驗進行模擬，從而在進行實際測量前對其結果能有準確的預估。

對繆子斷層成像探礦的模擬，可預先假設地層狀態與礦區分布，將整個假設的情形在程序中進行描述；然後把地面繆子束流的分布情況作為參數輸入到程序中，利用蒙特卡羅方法模擬這些繆子在地層中的輸運過程；再把探測器放置到模擬程序中，計算它能夠探測到的繆子。這樣模擬得到的是對觀測數據的預測情形。

在實際成像中，實驗者需要通過觀測的數據反推出實際的三維岩層與礦區結構。利用觀測數據進行反向推導的過程在實驗數據分析中也稱為反演過程。反演演算法可以在模擬程序中進行驗證，但最終還是需要通過實驗來檢驗演算法的有效性。

實驗方案、探測器測量系統與反演演算法構成了繆子斷層成像探礦的核心。

加拿大 AAPS 實驗測量所反演出來的礦床結構

加拿大AAPS與TRIUMF實驗室首次將繆子斷層成像應用在礦區勘探上【10】, 他們可以對數公里範圍內幾百米深的礦區進行成像。

悟空的「火眼金睛」神奇無比，但科學擁有比神話更奇妙的眼睛，在這眼睛下，隔物看物只能算是小兒科了。物理學上的粒子探測器就是這種神奇的「眼睛」之一，它上天入地，幾乎能夠探知到我們周圍所有的空間。繆子斷層成像是粒子探測器在研究及民用方向的拓展，看穿金字塔、火山與地層是這種「神奇之眼」的神威初展，其未來的作用不可估量。

註解

1. 目前，許多中文科普文章或百科類網站上仍然將繆子稱為繆介子，比如百度百科中關於π介子的介紹，這是錯誤的。
2. 這是一個新的領域，geotomography目前還沒有恰當的中文譯名，本文翻譯為「地質斷層成像」尚屬首次。
3. Ground-Penetrating Radar, 參見美國環境保護署（EPA）對Ground-Penetrating Radar概念的介紹，它屬於「無損探測」（NDT: Nondestructive Testing）技術的一種。
4. http://www.geophysics.uni-tuebingen.de/index.php?id=52
5. L. Alvarez et al. 1970, Science, 167, 832-839, doi:10.1126/science.167.3919.832
6. Three-dimensional computational axial tomography scan of a volcano with cosmic ray muon radiography, Hiroyuki K. M. Tanaka, Dec. 2010, doi:10.1029/2010JB007677
7. http://www.hep.utexas.edu/mayamuon/
8. Prog. Theor. Exp. Phys. (2013) 073C01, doi:10.1093/ptep/ptt046
9. J. Appl. Phys. 113, 184909 (2013); doi:10.1063/1.4804660
10. 參見 http://www.aapsinc.com/technologies/geotomography/　及 http://www.physics.sfu.ca/events/eventitem?id=742

（作者：心蛛）
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