В 2023 году группа физиков и археологов из Тель-Авивского университета по канату пробиралась в подземную пещеру вблизи Старого города Иерусалима. Они использовали веревки и блоки, чтобы спустить вниз некое довольно крупное приспособление, пишет журналистка The Times of Israel Диана Блеттер.

Сооружение, состоящее из металлических компонентов, соединенных клубками проводов, трубок, лент и зажимов, было едва ли не самым вероятным предметом, который можно было бы ожидать найти в скалистых углублениях пещеры: машиной времени, перенесшейся на 3000 лет назад, в прошлое.

В каком-то смысле это так и было.

Устройство, известное как мюонный детектор, было установлено в пещере с целью использовать субатомные частицы для выявления пока не открытых секретных проходов, ведущих к источнику Гихон – важному источнику воды в городе в древние времена. При этом открытие предполагалось сделать, даже не взяв в руки лопату.

«Все древние города нуждались в водоснабжении и укрепленных секретных путях, чтобы можно было добраться к источнику в случае чрезвычайной ситуации или войны», – рассказывает профессор Одед Липшиц, директор отдела изучения древнего Израиля в Тель-Авивском университете и один из четырех координаторов проекта по составлению карты туннелей, камер и каналов под Иерусалимом.

Устройство, созданное командой ученых Тель-Авивского университета, разработано для обнаружения и регистрации углового распределения мюонов – крошечных, но мощных частиц, образующихся при столкновении космических лучей с земной атмосферой.

Для археологов использование физики элементарных частиц с целью заглянуть в глубокие слои под поверхностью землю – это заманчивый способ изучения истории города. Иерусалим весь заполнен слоями древних поселений, но столь же полон он чувствительностью к покушениям на религиозные святыни. Это делает раскопки под многими важными объектами, особенно под Храмовой горой, сложной, если не невыполнимой задачей.

По словам Липшица, метод, известный как мюонная радиография, мог бы пролить свет на жизнь в Иерусалиме в древние времена, в том числе на укрепления, построенные жителями города, гробницы и другие помещения, которые они могли вырезать в камне, а также на их доступ к воде во времена вражеской осады, как в данном случае.

Исследователи полагают, что детектор выявит все, не перевернув ни камня и не повредив ни здания над землей.

«Мы мечтаем провести сканирование под землей в поисках туннелей, которые могли бы привести к Храмовой горе, – говорит профессор Эрез Эцион из Школы физики и астрономии Саклера. – Мюонные детекторы могут предоставить нам инструменты для пассивного поиска под землей».

Эцион, Лирон Барак и команда из Школы физики и астрономии работали над проектом вместе с профессором Ювалем Гадо из Школы еврейских исследований и археологии Розенберга, а также с Липшицем, Ифтой Шалев из Управления древностей Израиля и командой из Rafael Industries, в том числе Ифтахом Сильвером.

Помимо детектора в районе источника Гихон, другой мюонный детектор был установлен за так называемой «Каменной ступенчатой структурой» – огромной стеной в Городе Давида, построенной около 3000 лет назад.

Это место, примерно на полпути между источником Гихон и Храмовой горой, является самой глубокой точкой восточного склона Города Давида – узкого хребта, который спускается на юг от Храмовой горы к долине Кедрон (за пределами стен Старого города, где находится современный район Сильван). Археологи определяют это место как старейшую часть Иерусалима, связывая его с библейскими рассказами о городе.

Направив детектор на Храмовую гору, исследователи надеются использовать прибор для обнаружения туннелей или подземных пространств, идущих из-под не раскапываемой платформы к источнику.

Липшиц и Эцион знали друг друга еще со школьных времен в Кирьят-Тивоне, где они вместе играли в команде по водному поло более сорока лет назад. 

«Древняя история», – язвительно отмечает Эцион.

В университете два профессора обсуждали разнообразные идеи, над которыми вместе работали, а затем решили объединиться в проекте, сочетающем физику и археологию.

 «Как историк, я считаю, важно понимать нашу историю, – заявляет Липшиц. – Город Давида является самым важным местом для всех трех монотеистических религий».

Мюоны испускаются в верхние слои атмосферы лучами из космоса, которые взаимодействуют с атомами в атмосфере Земли. Мюоны движутся почти со скоростью света, их практически невозможно остановить, они способны проникать практически сквозь все, включая твердые породы. Установив детектор на более низкой высоте, чем целевая область, и правильно наклонив его, ученые смогли проанализировать скорость прохождения мюонов сквозь все, что они хотят изучить.

«Поскольку мюоны приходят с неба, необходимо разместить детектор в месте, расположенном ниже изучаемой области, чтобы увидеть, есть ли какое-то отклонение в грунте между детектором и поверхностью», – объясняет Эцион.

Если детектор получает больше мюонов, чем ожидалось, это означает, что часть своего подземного путешествия частицы прошли не через материю, а через пустую полость.

Исследование это основано на старой идее, еще 1960-х годов: тогда группа исследователей под руководством нобелевского лауреата по физике Луиса Альвареса использовала мюонные детекторы для сканирования пространства внутри пирамиды Хефрена в Египте.

Альварес не нашел «тайных тронов», но придумал «вполне работоспособное устройство», замечает Эцион. 

В 2023 году, также используя мюонные детекторы, исследователи обнаружили неизвестную камеру уже в Великой пирамиде Гизы, пирамиде Хеопса.

Ученые в Италии работают над использованием мюонов для составления карты внутренней части горы Везувий – для моделирования динамики извержения вулкана, который разрушил Помпеи в 79 году н. э. и до сих пор представляет угрозу для Неаполя.

В Иерусалиме в течение следующих двух лет исследователи надеются установить целый ряд детекторов. Команда полагает, что с помощью нескольких детекторов, использующих «мюонную томографию», она сможет не только обнаружить, где находятся полости, но и получить сведения об их размерах и о том, что находится внутри, построив трехмерную карту подземелий древнего города.

Физики разрабатывают инновационный метод, который повысит точность детектора и его способность обнаруживать пустоты меньших размеров.

«Вы не можете пойти и купить мюонный детектор, – усмехается Эцион. – Вы должны построить его сами».

Эцион участвовал в создании мюонных детекторов для эксперимента ATLAS на Большом адронном коллайдере в Швейцарии. Однако он замечает, что это была «установка детектора в лабораторных условиях, которая сильно отличается от его строительства под землей».

«Тут же была чрезвычайно сложная задача, – объясняет Эцион. – В лаборатории мы находимся в стерильной среде. А здесь мы восстановили детектор за несколько сумасшедших дней, под землей, где темно и влажно, вдали от чистой лаборатории с идеальными условиями…»

Еще больше усложняет задачу то, что детекторам приходится оставаться во влажной подземной среде в течение длительного времени. По словам Эциона, скорость мюонов, проникающих в землю, очень мала, и сбор данных занимает месяцы. Тем не менее он утверждает, что детектор работает «на удивление хорошо».

«Нас очень удивило, что это вообще сработало», – признается он.

Помимо археологии, метод «мюонной томографии» может быть использован для обнаружения туннелей, вырытых террористическими группировками ХАМАС и «Хезболла» под землей, где находятся границы Израиля с Газой и Ливаном соответственно. Однако в данный момент команда Тель-Авивского университета использует свои детекторы для обнаружения туннелей более древнего происхождения.

«Мы постоянно совершенствуем конструкцию устройств, обеспечивающих работу и обнаружение в суровых подземных условиях, – рассказывает Эцион. – И мы уже продемонстрировали, что сможем предоставить реальную карту скрытых туннелей и каналов древнего Иерусалима».