作者：曹俊 水白羊
編輯：阿嬌
科學家在吉薩大金字塔裡發現了一間新的密室。 不過， 發現這個秘密的並不是考古學家， 而是幾位物理學家。
吉薩大金字塔， 或者叫胡夫金字塔， 建於西元前2560年左右[1]， 是埃及第四王朝法老胡夫的陵寢， 也是埃及吉薩金字塔群裡最古老、最大的一座金字塔。 在落成之後的3800多年裡， 曾經146米高的吉薩大金字塔一直都是地球上最高的人造建築（這個頭銜直到1311年才被英國的林肯大教堂摘走[2]）。 然而， 幾千年過去了， 人們一直不知道這座無與倫比的宏偉建築是如何建造的， 也不知道它的內部結構究竟是個什麼樣子。
吉薩大金字塔裡有三個已知的房間。 一間叫“國王室”， 相傳是法老胡夫長眠的寢室；一間叫“王后室”；還有一個在地下未完工的房間。 狹長的甬道連接著這些房間， 南北向豎直分佈在金字塔內部。
科學家們嘗試過用各種各樣不同的技術來弄清吉薩大金字塔的內部結構， 試過微重力探測， 試過機器人拍攝， 試過地質雷達勘測， 然而這麼多年過去了， 幾乎一無所獲[3]。
這一次， 來自法國巴黎遺跡創新保護研究所（HIP Institute）的邁赫迪·塔尤比（Mehdi Tayoubi）， 來自日本名古屋大學的森本久由（Kunihiro Morishima）， 和他們的同事們， 用μ子成像技術， 終於有了些突破[2]。
μ子(muon， 讀做“謬子”)常被稱為μ介子， 這來自歷史上的一個誤會。 受電磁力是光子交換的思想啟發， 日本理論物理學家湯川秀樹提出， 核力的產生也是交換某種粒子的結果， 並把這種交換粒子稱為介子。 根據原子核的大小和量子力學中的測不准原理， 湯川秀樹估計這種新粒子的品質應該是質子重量的五分之一。 後來人們果然在宇宙線中找到了品質差不多的粒子， 就把這種粒子叫做μ介子。 但接著科學家又發現， μ介子跟核力並沒有關係， 並找到了真正跟核力有關係的π介子。
除了正好產生一對正反μ子的情況， μ子總是跟μ中微子成對產生。 來自太空的原初宇宙射線在地球大氣層中會產生大量的粒子， 其中就包括μ子。 伴隨μ子的產生或者衰變， 都會有μ中微子產生。 反之也是這樣。 由於中微子本身不能被探測， 科學家總是通過探測μ中微子與物質反應產生的μ子， 來間接探測μ中微子。
探測μ中微子已經帶來了兩個諾貝爾獎。一個是發現加速器產生的“中微子”在與物質反應的時候只能產生μ子，不能產生電子——證明加速器產生的“中微子”與伴隨電子產生的中微子不是同一種粒子，是第二種中微子——μ中微子。這個發現獲得了1988年的諾貝爾獎。另一個是日本的超級神岡探測器發現μ中微子發生了振盪，獲得了2015年的諾貝爾獎。這兩次發現中，探測器探測到的其實都是μ子。
宇宙線產生的μ子非常多，來自各個方向。在地表上，每平方米每秒能有200個（由於地磁場的影響，不同的地方略有不同）。這些μ子對中微子探測實驗會造成嚴重的影響。不過μ子穿過物質的時候會被吸收，被吸收的程度主要取決於穿過物質的材料、密度及穿過的路徑長度，所以中微子實驗總是在很深的地下，利用岩石來吸收μ子。在100米深的地下，μ子數會從地表的每平方米每秒200個減少到1個；到地下700米會減少到0.002個。位於四川雅礱江錦屏的中國錦屏地下實驗室是現在世界上岩石覆蓋最深的實驗室，在2400米深的地下。在那裡，每平方米每秒鐘只能找到百萬分之幾個μ子。
由於科學家已經把μ子與物質的作用研究得非常清楚了，所以可以很準確地通過電腦類比μ子穿過不同物體時被吸收的程度。以前有個法國中微子實驗模擬了它的地下實驗室應該看到的μ子數，結果發現模擬數值跟實際觀測測到的不一致。後來通過地質調查找到了問題所在，原來是實驗室頭頂上的山體有一部分密度異常，影響了μ子穿過山體時被吸收的程度。
這次在吉薩大金字塔裡發現密室就是這個原理——如果金字塔裡有密室，也就是一個中空的空間，那麼μ子在穿過整個金字塔的時候，這一部分吸收的μ子就會比其他地方少。
換句話說，因為在各個方向上都有宇宙線產生的μ子，所以可以在金字塔的不同的地點探測來自不同方向的μ子。如果在某方向探測到了比預期數量多的μ子，那很可能就說明，在這個方向上的金字塔記憶體在一個中空的密室。
塔尤比和同事們這次就使用了三種不同的μ子檢測技術，在吉薩大金字塔內部新發現了一個大型的中空結構。他們估計這間密室至少有30米長，在大甬道的上方，有和大甬道類似的三角形橫截面。可惜的是，μ子成像技術只能發現那裡（應該）有這麼一間密室，並不能告訴科學家這間密室的詳細結構和作用。不過，這也是吉薩大金字塔裡的大發現了。或許，在不久的將來，就有更新的技術能夠一窺密室的真容，幫助科學家高清吉薩大金字塔的內部構造，揭開塵封了幾千年的金字塔建造之謎。
當然，μ子成像還有很多其他的應用。比如福島核電站損毀的反應堆，人不能呆在那裡，假如放一個μ子探測器在裡面或附近，就可以大致看見裡面的情況，監視反應堆的變化。再比如，在小一點的火山旁邊放上μ子探測器，可以監視內部岩漿的活動情況，預報火山爆發。
想用μ子成像技術來找寶貝當然也可以。不過前提是，你得能把探測器放到寶貝下面去。
哦對了，還需要幾位元高能物理學家。
作者簡介：
曹俊
中國科學院高能物理研究所實驗物理中心研究員
主要從事中微子物理研究和中微子探測技術研究
水白羊
科學松鼠會成員，地球系統科學博士生
排版：曉嵐
參考文獻：
[1] Wikipedia, Great Pyramid of Giza. Last visited on November 2, 2017.
[2] Wikipedia, List of tallest buildings and structures. Last visited on November 2, 2017.
[3] Morishima, K. et al. Discovery of a big void in Khufu’s Pyramid by observation of cosmic-ray muons. Nature dx.doi.org/10.1038/nature24647 (2017).
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探測μ中微子已經帶來了兩個諾貝爾獎。一個是發現加速器產生的“中微子”在與物質反應的時候只能產生μ子，不能產生電子——證明加速器產生的“中微子”與伴隨電子產生的中微子不是同一種粒子，是第二種中微子——μ中微子。這個發現獲得了1988年的諾貝爾獎。另一個是日本的超級神岡探測器發現μ中微子發生了振盪，獲得了2015年的諾貝爾獎。這兩次發現中，探測器探測到的其實都是μ子。
宇宙線產生的μ子非常多，來自各個方向。在地表上，每平方米每秒能有200個（由於地磁場的影響，不同的地方略有不同）。這些μ子對中微子探測實驗會造成嚴重的影響。不過μ子穿過物質的時候會被吸收，被吸收的程度主要取決於穿過物質的材料、密度及穿過的路徑長度，所以中微子實驗總是在很深的地下，利用岩石來吸收μ子。在100米深的地下，μ子數會從地表的每平方米每秒200個減少到1個；到地下700米會減少到0.002個。位於四川雅礱江錦屏的中國錦屏地下實驗室是現在世界上岩石覆蓋最深的實驗室，在2400米深的地下。在那裡，每平方米每秒鐘只能找到百萬分之幾個μ子。
由於科學家已經把μ子與物質的作用研究得非常清楚了，所以可以很準確地通過電腦類比μ子穿過不同物體時被吸收的程度。以前有個法國中微子實驗模擬了它的地下實驗室應該看到的μ子數，結果發現模擬數值跟實際觀測測到的不一致。後來通過地質調查找到了問題所在，原來是實驗室頭頂上的山體有一部分密度異常，影響了μ子穿過山體時被吸收的程度。
這次在吉薩大金字塔裡發現密室就是這個原理——如果金字塔裡有密室，也就是一個中空的空間，那麼μ子在穿過整個金字塔的時候，這一部分吸收的μ子就會比其他地方少。
換句話說，因為在各個方向上都有宇宙線產生的μ子，所以可以在金字塔的不同的地點探測來自不同方向的μ子。如果在某方向探測到了比預期數量多的μ子，那很可能就說明，在這個方向上的金字塔記憶體在一個中空的密室。
塔尤比和同事們這次就使用了三種不同的μ子檢測技術，在吉薩大金字塔內部新發現了一個大型的中空結構。他們估計這間密室至少有30米長，在大甬道的上方，有和大甬道類似的三角形橫截面。可惜的是，μ子成像技術只能發現那裡（應該）有這麼一間密室，並不能告訴科學家這間密室的詳細結構和作用。不過，這也是吉薩大金字塔裡的大發現了。或許，在不久的將來，就有更新的技術能夠一窺密室的真容，幫助科學家高清吉薩大金字塔的內部構造，揭開塵封了幾千年的金字塔建造之謎。
當然，μ子成像還有很多其他的應用。比如福島核電站損毀的反應堆，人不能呆在那裡，假如放一個μ子探測器在裡面或附近，就可以大致看見裡面的情況，監視反應堆的變化。再比如，在小一點的火山旁邊放上μ子探測器，可以監視內部岩漿的活動情況，預報火山爆發。
想用μ子成像技術來找寶貝當然也可以。不過前提是，你得能把探測器放到寶貝下面去。
哦對了，還需要幾位元高能物理學家。
作者簡介：
曹俊
中國科學院高能物理研究所實驗物理中心研究員
主要從事中微子物理研究和中微子探測技術研究
水白羊
科學松鼠會成員，地球系統科學博士生
排版：曉嵐
參考文獻：
[1] Wikipedia, Great Pyramid of Giza. Last visited on November 2, 2017.
[2] Wikipedia, List of tallest buildings and structures. Last visited on November 2, 2017.
[3] Morishima, K. et al. Discovery of a big void in Khufu’s Pyramid by observation of cosmic-ray muons. Nature dx.doi.org/10.1038/nature24647 (2017).
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