Co kryje się za ścianą? Kosmiczne cząstki prześwietlają Groty Nagórzyckie

Dawne mapy kopalni piasku w Nagórzycach zaginęły podczas wojny, a część podziemi pozostaje niedostępna. Fizycy z Uniwersytetu Łódzkiego przez 140 dni liczyli w grotach cząstki z kosmosu. Wyniki wskazały miejsca, które mogą kryć nieznane wyrobiska – ale zagadka nie jest jeszcze rozwiązana.

Kiedy stoimy przed skalną ścianą, trudno zgadnąć, czy dalej ciągnie się zwarty piaskowiec, zasypany korytarz czy pusta komora. W Grotach Nagórzyckich pod Tomaszowem Mazowieckim (woj. łódzkie) nie jest to tylko zagadka geologiczna. Podziemia są pozostałością po kopalni piasku do produkcji szkła. Część wyrobisk udostępniono turystom, inne zasypano lub odcięto, a dokumentacja zaginęła podczas wojny. Rozpoznanie tego, co znajduje się za skalną ścianą, zwykle wymaga odwiertów albo specjalistycznych pomiarów prowadzonych w wielu punktach. Fizycy z Uniwersytetu Łódzkiego sięgnęli więc po metodę, która pozwala badać wnętrze górotworu z jednego miejsca: wykorzystali miony powstające wysoko w atmosferze.

Gdy promieniowanie kosmiczne zderza się z atomami powietrza, powstają między innymi miony. To cząstki podobne do elektronów, lecz dużo cięższe. Potrafią przenikać przez znaczne warstwy materii. Im więcej skały mają do pokonania, tym mniej ich dociera do detektora. Jeśli po drodze znajduje się pusty korytarz, urządzenie powinno zliczyć ich więcej. Zasada przypomina zdjęcie rentgenowskie, tyle że źródłem promieniowania jest nie lampa, lecz niebo, a pacjentem – górotwór. W grotach stanął prosty teleskop. Cztery plastikowe detektory o wymiarach 10 na 20 centymetrów rozmieszczono na metrowym ramieniu. Przelatująca cząstka wywołuje w nich błyski zamieniane na sygnał elektryczny. Zdarzenie zapisuje się, gdy kilka sygnałów pojawi się niemal jednocześnie. Całość obracała się o jeden stopień co trzy minuty, sprawdzając kolejne kierunki.

Naukowcy przekształcili znany plan wyrobisk w model i obliczyli, ilu mionów należy oczekiwać z różnych stron. Założyli w przybliżeniu jednorodny piaskowiec i uwzględnili cząstki lecące lekko ku górze. Dopiero potem porównali przewidywania z pomiarem. W tej konfiguracji urządzenie zachowuje użyteczną czułość na odległość około 50–60 metrów. Pierwsza seria trwała ponad 140 dni. W kilku kierunkach mionów było więcej lub mniej, niż wynikało z mapy; największe różnice sięgały około dwóch odchyleń standardowych.

Niedobór cząstek z jednego kierunku pasuje do znanego zawalenia korytarza. Nadmiar z innych może oznaczać nieudokumentowaną pustkę albo skałę o mniejszej gęstości. Mimo niewielkich niepewności w naturalny sposób związanych z zastosowaną metodą, w symulacji pusta przestrzeń o średnicy pięciu metrów, położona dziesięć metrów od teleskopu, pozostawiała wykrywalny ślad. Teraz urządzenie ma być przenoszone w kolejne miejsca. Obserwacje z kilku punktów pozwolą spojrzeć na tę samą strukturę pod różnymi kątami i ją zlokalizować. Ceną niskiego kosztu jest czas: potwierdzenie anomalii może wymagać wielu miesięcy, a nawet lat.

Taka metoda nie zastąpi geologa, odwiertu ani dokładnej dokumentacji. Może jednak wskazać, gdzie warto przeprowadzić kosztowniejsze badania bez naruszania skały. Przyda się w rozpoznawaniu dawnych kopalń, tuneli i płytkich pustek, a więc także w ochronie zabytków i ocenie podłoża. Teleskop powstał w projekcie CREDO-Maze jako niedroga stacja do badania promieniowania kosmicznego. Uczniowie pobliskiej szkoły średniej co kilka dni odczytują karty pamięci i przesyłają dane naukowcom. Pomoc edukacyjna stała się więc narzędziem prawdziwych poszukiwań. Badania przeprowadzili Tadeusz Wibig, Kacper Dorszewski, Michał Karbowiak i Łukasz Radecki z Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Łódzkiego. Wyniki opublikowano w „Applied Sciences” (https://doi.org/10.3390/app16115467).

Na rozwiązanie zagadki ukrytych korytarzy trzeba jeszcze poczekać. Jednak projekt pokazuje dwie istotne rzeczy. Po pierwsze promieniowanie kosmiczne może stać się nie tylko potencjalnym źródłem kłopotów, ale także użytecznym narzędziem do prześwietlania skał. Po drugie zaś nawet uczniowie szkół średnich mogą z powodzeniem uczestniczyć w rozwoju nauki na światowym poziomie.(PAP)

kmp/ bar/

Fundacja PAP zezwala na bezpłatny przedruk artykułów z Serwisu Nauka w Polsce pod warunkiem mailowego poinformowania nas raz w miesiącu o fakcie korzystania z serwisu oraz podania źródła artykułu. W portalach i serwisach internetowych prosimy o zamieszczenie podlinkowanego adresu: Źródło: naukawpolsce.pl, a w czasopismach adnotacji: Źródło: Serwis Nauka w Polsce - naukawpolsce.pl. Powyższe zezwolenie nie dotyczy: informacji z kategorii "Świat" oraz wszelkich fotografii i materiałów wideo.

Czytaj cały artykuł u źródła — Nauka w Polsce