Durchleuchteter Vulkan

40 Tage lang haben japanische Wissenschaftler den Vulkan Iwodake ins Visier genommen. Er liegt auf der nur zwölf Quadratkilometer großen Insel Satsuma-Iwojima, etwa 40 Kilometer südlich der vier japanischen Hauptinseln. Der neuartige Blick ins Innere des Feuerbergs gelang einem Wissenschaftlerteam um Hiroyuki Tanaka von der Universität Tokio – mit Myonen. Diese Teilchen werden von der Kosmischen Strahlung in der Erdatmosphäre erzeugt. Die kurzlebigen schweren Brüder der Elektronen sind sonst vor allem für Teilchenphysiker von Interesse. Denn sie eignen sich ausgezeichnet, um fundamentale physikalische Kräfte auf höchstem Präsizionsniveau zu studieren.

Myonen haben eine mittlere Lebensdauer von nur etwa zwei Millionstel Sekunden, bevor sie sich unter Abgabe von zwei Neutrinos in ein Elektron verwandeln. Von der Kosmischen Strahlung bekommen sie so viel Energie mit, dass sie die 10 bis 15 Kilometer bis zur Erdoberfläche nahezu lichtschnell durchqueren. Trotzdem könnten es die Teilchen in zwei Millionstel Sekunden eigentlich nicht bis zur Erdoberfläche schaffen, sondern kämen gerade mal 600 Meter weit – wenn für sie die Zeit gemäß Albert Einsteins Spezieller Relativitätstheorie nicht viel langsamer verginge. So aber reicht ihre kurze Lebensspanne aus, um die Erdatmosphäre und den Vulkan zu durchqueren. Danach treffen sie auf den Myondetektor, den die japanischen Forscher für sie aufgestellt haben.

Myonen mustern Magma

Als Detektor verwenden die japanischen Forscher zwei quadratische Platten von je einem Quadratmeter Fläche, die mit zahlreichen Szintillatoren bestückt sind. Diese bestehen aus Kunststoff oder Kristallen, die beim Durchgang von energiereichen Teilchen einen kurzen Lichtimpuls abgeben. Das Licht wird von einer Photodiode im Detektor in ein elektrisches Signal umgewandelt. „Wir haben die Szintillatorplatten am Fuß des Iwodake aufgestellt, 500 Meter vom Vulkan entfernt und im Abstand von zwei Metern”, erklärt Tanaka. Flitzt ein Elementarteilchen durch die Platten, lässt sich ermitteln, welchen Weg es durch den Vulkan genommen hat. Die Myonen werden – ähnlich wie Röntgenstrahlen – von der Beschaffenheit der durchquerten Materie beeinflusst: Je dichter sie ist, desto weniger Myonen gelingt es, sie vollständig zu passieren. Nur die energiereichsten Myonen schaffen es, das kilometerdicke Vulkangestein zu durchdringen. Mit der durch das Detektorsystem gesammelten Information konnten die Wissenschaftler schließlich ein „Myonenbild” des Vulkans erstellen, das die Magmadichte im Schlot wiedergibt (siehe Grafik unten).

Die Abfolge der unterschiedlich dichten Magmabereiche spricht für eine 2002 von einer Forschergruppe um Kohei Kazahaya veröffentlichte Vermutung, wonach das im Iwodake aufsteigende Magma Gase abgibt und verdichtet entlang des Schlotrands wieder absinkt. Vor zwei Jahren hatte das Forscherteam bereits einen anderen japanischen Vulkan durchleuchtet, den Asama. „Dabei fanden wir einen Pfropfen aus erstarrtem Magma über einem Gasreservoir”, sagt Tanaka. Im gleichen Jahr bildeten die Japaner mit ihrer Methode auch den Schlot des Vulkans Showashinzan ab.

SPIONAGE IN DER SONNENPYRAMIDE

Myonen machen sich nicht nur in der Teilchenphysik und der Vulkanologie nützlich, sondern auch in der Archäologie. Bereits in den 1960er-Jahren hatte der amerikanische Physiker und Nobelpreisträger Luis Alvarez, der 1988 starb, die ägyptische Chephren-Pyramide mit ihrer Hilfe durchleuchtet, um nach unentdeckten Kammern zu suchen. Alvarez stellte seinen Detektor in die Grabkammer unter der Pyramide. Doch seine Suche war vergeblich: Er konnte keine Kammer finden. Da er die korrekte Funktionsweise seiner Methode zweifelsfrei nachwies, gilt es seither als unwahrscheinlich, dass es in der Chephren-Pyramide vorborgene Kammern gibt. Bisher nicht ausschließen lässt sich das in der Sonnenpyramide der voraztekischen Ruinenstadt Teotihuacán. Dort bereitet derzeit ein mexikanisches Wissenschaftlerteam um Arturo Menchaco-Rocha von der Nationalen Autonomen Universität Mexikos seinen Myonen-Detektor vor. Die ersten Ergebnisse werden noch in diesem Jahr erwartet. Ebenfalls in den Startlöchern steht eine Forschergruppe um Roy Schwitters von der University of Texas in Austin. Das Ziel der amerikanischen Wissenschaftler ist eine vom Dschungel überwucherte, bislang unerforschte Maya-Pyramide im Nordwesten von Belize.

Auch Tanaka rüstet sein Detektorsystem für neue Einsätze: „Wir arbeiten an Projekten zur Durchleuchtung von Hochöfen und Kernreaktoren, um beispielsweise Erosionsprozesse in den Gefäßwänden frühzeitig zu erkennen.” In Zusammenarbeit mit dem japanischen Stahlerzeugungsunternehmen Nippon Steel hat Tanaka sein Verfahren bereits erfolgreich an einem Hochofen getestet. Und er plant mit Kollegen in Bern, Bilder des Untergrunds von Gletschern zu erstellen, um genaue Informationen über deren Größe zu erhalten. ■

von Axel Tillemans