Kosmische straling onthult tsunami's en golven

De eerste proef met een onderzeese sensoropstelling om snel veranderende getijdencondities in de Baai van Tokio te detecteren, is een succes geweest. De Tokyo-bay Seafloor Hyper KiloMetric Submarine Deep Detector (TS-HKMSDD) (*) gebruikt muonen – deeltjes die worden gegenereerd door kosmische straling – om variaties in diepte en dichtheid van de zee en de zeebodem erboven te visualiseren.

Wanneer deze reeks sensoren wordt uitgebreid, moet deze voldoende resolutie bieden om het gebied te bewaken op mogelijk gevaarlijke natuurrampen maar ook om het zoeken naar natuurlijke hulpbronnen zoals gasvoorraden te ondersteunen.

Bij de foto: Muon-detector. Elk van deze detectoren is ongeveer twee meter lang. Als een complete set van ongeveer 5.000 modules wordt gebouwd, strekt deze zich uit over de volledige lengte van de tunnel. Foto: Hiroyuki Tanaka / Muographix / University of Tokyo.

De Tokyo Bay Aqua-Line is een rijbaan die de luchthaven Haneda verbindt met de prefectuur Chiba in het oosten. Het langste gedeelte is een 9,6 kilometer lange tunnel die zich 45 meter onder zeeniveau uitstrekt. Deze tunnel wordt voornamelijk gebruikt voor het wegverkeer, maar is nu ook de thuisbasis van een uniek wetenschappelijk streven. Het herbergt nu ongeveer 10 speciale muondetectoren in zijn diensttunnels, die gelegen zijn aan de zijkant van de wegtunnels. Dit lijkt misschien een vreemde plek voor zulke dingen, omdat ze onmogelijk de lucht kunnen zien. Maar dit komt omdat wat ze wel zien, geen gewoon soort licht is.

De detectoren zien muonen. Deze deeltjes ontstaan in de atmosfeer en gaan gemakkelijk door gewone materie. Ze worden slechts in geringe mate beïnvloed door de hoeveelheid en de dichtheid van de materie die ze passeren, maar de kleine variaties die hieruit voortvloeien, kunnen worden opgevangen door deze zeer gespecialiseerde detectoren. In principe vergelijkbaar met de manier waarop een röntgenapparaat botten in een menselijk lichaam afbeeldt, kunnen de signalen van meerdere detectoren worden gecombineerd om een ruw beeld te vormen van de verdeling en dichtheid van materie, op basis van het aantal gedetecteerde muonen en de posities ervan. Deze afbeeldingen kunnen voor verschillende doeleinden worden gebruikt.

"Onze succesvolle eerste proef toont aan dat we de zee boven de tunnel in beeld kunnen brengen met een ruimtelijke resolutie van 10 meter en een tijdsresolutie van één minuut", zegt professor Hiroyuki Tanaka van Muographix aan de Universiteit van Tokio. “Door deze duidelijke gegevens kunnen we de detector gebruiken om gevaarlijke omstandigheden op zee, zoals sterke stormgolven of zelfs tsunami's, waar te nemen. En aangezien muonen uit alle richtingen komen, is het mogelijk om beelden van de zeebodem zelf te maken. Dit kan nuttig zijn bij het opsporen van de aardgasreserves die daar vermoedelijk aanwezig zijn. "

De TS-HKMSDD zal op 5 mei 2021 fulltime in gebruik worden genomen. Het modulaire karakter van de detectorinstallatie betekent dat er continu nieuwe sensoren kunnen worden toegevoegd, waardoor de mogelijkheden van de array gaandeweg worden verbeterd. Tanaka en zijn team streven ernaar om een lijn van ongeveer 5.000 sensoren langs de bijna 10 kilometer lange tunnel te laten lopen. Deze configuratie zou het de langste deeltjesdetector in zijn soort maken. Het succes van deze proef zou ook kunnen helpen om het project uit te breiden naar andere locaties over de hele wereld, waaronder de Noordzee rond de Britse eilanden.

Auteur: Jan Vyvey
Bron: Universiteit van Tokio

(*) Info op https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/articles/z0508_00121.html