Forscher in den USA und Tschechien haben mit einem Hochleistungslaser und einem einzigen Puls Myonen erzeugt, die Lastwagen und Hauswände aus 15 Metern Entfernung durchleuchten. Das im September 2026 veröffentlichte Verfahren liefert Radiographiebilder drastisch schneller als die bisherige Nutzung kosmischer Strahlung.
Röntgenstrahlen stoßen im Sicherheitsbereich und in der Kerntechnik seit Jahren an physikalische Grenzen. Schon wenige Zentimeter Blei oder massive Stahlmäntel schlucken die Strahlung fast vollständig. Für Zollbehörden, Sicherheitsdienste und Kernkraftwerke sind das schlechte Nachrichten – sie suchen seit Jahren nach Alternativen. Eine solche Lösung liefert bislang die Natur in Form von Myonen.
Diese schweren Verwandten des Elektrons ähneln Elektronen, sind aber rund 207-mal schwerer. Treffen hochenergetische kosmische Teilchen in einer Höhe von 15 bis 20 Kilometern auf atmosphärische Atome, entstehen Myonen, die bis zum Erdboden vordringen. Wegen ihrer geringen Wechselwirkung mit Materie durchdringen sie selbst dicke Schichten aus Gestein, Beton und Stahl mühelos, wo Röntgenlicht längst stecken bleibt. Nach rund 2,2 Mikrosekunden zerfallen diese Teilchen zwar, doch dank der speziellen Relativitätstheorie reicht die Lebensdauer bei hohem Tempo für enorme Distanzen aus. In der Vergangenheit nutzten Wissenschaftler diese natürlichen Teilchen für spektakuläre Einblicke, etwa im Jahr 2017 bei der Entdeckung eines großen, bis dahin unbekannten Hohlraums in der Cheops-Pyramide, und auch in Fukushima kartierten Forscher auf diese Weise den geschmolzenen Brennstoff in den havarierten Reaktoren.
Wochenlange Wartezeiten durch den Einsatz künstlicher Teilchenquellen umgehen
Laser durchleuchtet Lastwagen und Hauswand mit einem einzigen Puls
Die Nutzung kosmischer Myonen hat jedoch einen entscheidenden Haken. Auf Meereshöhe schlägt etwa ein solches Teilchen pro Quadratzentimeter und Minute ein – genug für kontinuierliche Hintergrundmessungen, aber viel zu spärlich für zügige Aufnahmen. Für brauchbare radiographische Aufnahmen mussten Detektoren in der Vergangenheit wochen- bis monatelang Daten sammeln, da die kosmische Strahlung überwiegend von oben einfällt und nur selten aus der Richtung einfindet, in der ein Objekt steht.
Klassische Teilchenbeschleuniger könnten zwar künstlich Myonen erzeugen, sind jedoch riesig, teuer und fest an ihren Standort gebunden, sodass sie für mobile Prüfungen nicht in Frage kommen. Ein internationales Team aus den USA und Tschechien zeigt nun mit einer neuen Methode, dass sich dieser Engpass überwinden lässt.
Laser-Plasma-Beschleuniger erzeugt Teilchenstrahl mit einem einzigen Puls
Das von Kaixin Zhu und Brendan Reagan geleitete Forscherteam beschreibt die Ergebnisse in einem auf dem Preprint-Server arXiv veröffentlichten Fachaufsatz mit 32 Autoren. Die dabei erzeugten Beschleunigungsfelder weisen eine Stärke von bis zu 100 Gigavolt pro Meter auf und übertreffen herkömmliche Anlagen damit um das Tausendfache. Dabei trifft ein extrem kurzer und intensiver Laserpuls auf ein Gas, reißt die Elektronen von ihren Atomkernen und hinterlässt in dem entstehenden Plasma eine Welle, ähnlich dem Kielwasser eines Schiffs. Elektronen, die auf dieser Welle reiten, erreichen auf Strecken von Zentimetern bis Metern Energien von mehreren Gigaelektronenvolt. Wenn diese schnellen Elektronen anschließend auf ein Ziel aus schwerem Material treffen, entstehen in einer Kaskade von Reaktionen neue Teilchen, darunter Pionen, Neutronen und eben Myonen.
Wissenschaft – Laser sieht durch Wände und Lastwagen
Als Versuchsplattform für diese Experimente dient der Hochleistungslaser ALEPH aus der Petawattklasse der Colorado State University, der seine Pulse in rascher Folge abgeben kann. An dem Vorhaben sind neben der US-Universität auch das Lawrence Livermore National Laboratory, die University of Maryland sowie die europäische Laseranlage ELI Beamlines in Tschechien beteiligt.
Erste erfolgreiche Durchleuchtung durch Blei, Gebäude und Lastwagen
In einem Versuch gelang es dem Team erstmals, Testobjekte in rund 15 Metern Entfernung abzubilden. Der erzeugte Teilchenstrahl mit Energien von einem bis zehn Gigaelektronenvolt passierte auf seinem Weg dorthin zunächst eine dichte Bleiabschirmung, anschließend die Wand eines Gebäudes und schließlich die Wand eines Lastwagens. Dahinter registrierten Detektoren genug Teilchen, um aus einem einzigen Laserpuls ein Durchleuchtungsbild zu gewinnen. Die Autoren weisen darauf hin, dass es sich hierbei um die erste Radiographie dieser Art handelt, bei der eine laserbasierte Quelle im Gigaelektronenvolt-Bereich zum Einsatz kam. Dass tatsächlich Myonen die Arbeit leisteten, prüften die Forscher auf zwei Wegen.
Die Methode liefert mit einem einzigen Puls so viele Myonen, wie die kosmische Strahlung erst in mehr als acht Stunden produziert. Die Ergebnisse des Teams liegen bislang als Preprint vor und sind noch nicht unabhängig begutachtet, während die Technik noch einen weiten Weg vor sich hat. Sollte sich die Technik im Praxisbetrieb bewähren, könnte sie künftig helfen, Schmuggelware in Containern aufzuspüren oder zerstörte Reaktoren sicher zu untersuchen.
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