电子是我们周围最常见的物质之一——已知宇宙中的每个完整原子至少有一个。但电子的同位素远比它们稀有和“阴暗”，μ子就是其中之一。我们可能 不太在意μ子，但它们正源源不断地从 大气层边缘 降落到地球表面。
μ子可以穿透电子无法穿透的巨大岩层。这对科学家来说是个好消息，他们可以收集这些更难以捉摸的粒子来绘制物体图像，就像 X 射线一样。在过去的几十年里，他们利用 μ 子 穿透喷发火山 的“面纱”，并 窥探古墓，但仅限于二维图像。少数三维图像仅限于小型物体。
这种情况正在改变。在一篇今日发表在 《科学进展》 杂志上的论文中，研究人员创建了一个完全 3D 的 μ 子图像，成像对象是一个与大型建筑一样大的核反应堆。这项成就可能为专家提供更安全、更有效的方式来检查旧反应堆或核废料。
“我认为，对于如此大的物体，这是首次纯粹的 3D μ 子成像，”法国巴黎-萨克雷大学核物理学家、该研究作者之一的 Sébastien Procureur 说。
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μ 子成像的实现离不开宇宙射线。尽管名字听起来很“阳光”，但大多数宇宙射线是来自遥远星系的氢或氦原子核。当它们撞击我们的大气层时，它们会 burst 成一场持续不断的辐射和亚原子粒子的雨。
雨中蕴含着 μ 子的“阵雨”。μ 子比它们的电子“兄弟”更重——质量大约是电子的 206 倍。它们也非常不稳定：平均而言，每个 μ 子只存在大约百万分之一秒。即便如此，仍然有 大约 10,000 个粒子 每分钟撞击地球每平方米的面积。
由于 μ 子比电子重，它们的能量也更高。它们能够穿透看似无法穿透的东西，例如半英里深的岩石。科学家们可以使用特制的探测器捕捉这些 μ 子并进行计数。从某个方向撞击过来的 μ 子越多，可能就表明那个方向存在一个空腔。
通过这样做，他们可以收集无法人类涉足区域的数据。例如，2017 年，研究人员在埃及吉萨的 胡夫大金字塔内部 发现了一个隐藏的空腔。在 2011 年 海啸袭击福岛第一核电站 后，μ 子使科学家能够从安全距离评估损坏情况。物理学家还 利用 μ 子检查核废料容器，而无需冒着泄漏的风险打开它们。
然而，μ 子成像也有一些缺点。首先，物理学家无法控制有多少 μ 子从天而降，而且每天降落到地球上的数百万个 μ 子，从宏观角度来看数量并不算多。“在 μ 子摄影术中，获取一张图像可能需要几天时间，”Procureur 说。“你必须等到数量足够多。”
通常，μ 子成像仪使用 探测器来计算撞击它的 μ 子数量 以及它们的来源方向。但使用单个设备，你只能知道空腔的存在，却无法知道它有多远。这种限制使得大多数 μ 子图像停留在二维层面。这意味着如果你扫描一座建筑物的正面，你可能会看到独立的房间，但看不到布局。如果你想详细探索一个空间，缺乏第三维度是一个 major 障碍。
理论上，通过从不同角度拍摄 μ 子图像，可以将它们拼接成 3D 重构。这就像放射科医生 用 X 射线进行 CT 扫描 那样。但是，虽然可以轻松地从不同角度拍摄数百张 X 射线图像，但用 μ 子做到这一点却要复杂得多，也耗时得多。
尽管如此，Procureur 和他的同事们还是尝试了。他们考察的地点是位于法国南部核电站和研究设施 Marcoule 的一座旧反应堆。G2 反应堆建于 20 世纪 50 年代。1980 年，该反应堆永久关闭；此后，法国核当局一直在缓慢拆除建筑内的设备。现在，为了最终退役 G2，他们想对内部结构进行一次额外的安全检查。“所以他们联系了我们，”Procureur 说。
科学家们之前已经对坦克等小型物体进行了 3D μ 子成像，但 G2——它位于一个与小型潜艇大小的混凝土圆柱体内部，并安装在一个与飞机机库大小的金属外壳建筑中——需要穿透更多的层和更大的区域。
幸运的是，这个圆柱体为 Procureur 及其同事留出了足够的空间，让他们可以在反应堆周围和下方战略性地设置四个充气探测器。通过移动这些探测器，他们成功地拍摄了总共 27 张长曝光 μ 子图像，每张图像的拍摄时间都长达数天。
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但 Procureur 说，棘手的部分并不是设置 μ 子探测器，甚至不是让它们运行：而是事后的图像拼接。为了启动这个过程，团队改编了一个用于拼接医学影像的算法。尽管这个过程非常耗时，但他们成功了。在最终的图像中，他们能够分辨出直径约两英尺半的冷却管道等小型物体。
“重要的是他们做到了，”未参与此研究的费米实验室（位于芝加哥郊区）物理学家 Alan Bross 说。“他们建造了探测器，他们去了现场，他们获取了数据……这确实是牵一发而动全身的。”
Procureur 说，这项工作仅仅是一个概念验证。既然他们知道可以取得什么样的成果，他们就决定迎接新的挑战：对其他地点的核容器进行成像。“精度会显著提高，”Procureur 说道。
更大的目标可能很快就会出现。回到吉萨，Bross 和他的一些同事正在努力对 大金字塔进行三维扫描。“我们基本上采用的是相同的技术，”他解释道，但规模要壮观得多。
