מיפוי חללים תת-קרקעיים – טכנולוגיית המיונים (Muons) מציגה פוטנציאל חדש להדמיה תלת-ממדית של תת-הקרקע לצורך חפירות ארכיאולוגיות

מחקר חדש מציג הוכחת היתכנות לשימוש בגלאי קרינה קוסמית לזיהוי חללים תת-קרקעיים. גלאים אלו מזהים מִיוֹנִים (muons) — חלקיקים הנוצרים כאשר קרינה קוסמית מתנגשת באטמוספירה של כדור הארץ, חודרים את הקרקע, מאבדים את האנרגיה שלהם ולבסוף נעצרים. איתור המיונים מאפשר לארכיאולוגים למפות חללים נסתרים כגון מנהרות ותעלות. צוות המחקר הדגים את יעילות הטכנולוגיה באתר הארכיאולוגי "עיר דוד" בירושלים, והראה כיצד המערכת מצליחה למפות חללים תת-קרקעיים על סמך השינויים ביכולת הספיגה של הקרקע לחלקיקי קרינה קוסמית.

המחקר הובל על ידי פרופ' ארז עציון מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה ע"ש ריימונד ובוורלי סאקלר באוניברסיטת תל אביב, ופרופ' עודד ליפשיץ מהחוג לארכיאולוגיה ותרבויות המזרח הקדום ע"ש יעקב מ. אלקוב. בין השותפים היו גם פרופ' יובל גדות מהחוג לארכיאולוגיה, פרופ' יאן בן-חמו, ד"ר איגור זולקין והדוקטורנט גלעד מזרחי מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה, ד"ר יפתח סילבר וד"ר אמיר וייסביין מחברת רפאל, וד"ר יפתח שליו מרשות העתיקות. תוצאות המחקר פורסמו בכתב העת Journal of Applied Physics.

אתגר עולמי בארכיאולוגיה

"מהפירמידות במצרים, דרך ערי המאיה בדרום אמריקה ועד אתרים קדומים בישראל – ארכיאולוגים מתקשים לחשוף חללים תת-קרקעיים", מסביר פרופ' ליפשיץ."מבנים מעל פני הקרקע קלים יחסית לחשיפה, וגם קיימות שיטות שונות לזיהוי קירות ומבנים מתחת לפני השטח. אך אין כיום שיטה יעילה לביצוע סקרים מקיפים של חללים תת-קרקעיים מתחת לשכבת הסלע שעליה יושב האתר הקדום.

באזור השפלה, לדוגמה, שכבת גיר קשה מכסה שכבת קירטון רכה, שבתוכה הקדמונים חצבו בקלות חללים נרחבים למאגרי מים, שימושים חקלאיים, אחסון ואפילו למגורים. ברור שבאזורים כאלה, מרבית האתרים הארכיאולוגיים מעל הקרקע נראים כמו “גבינה שווייצרית” מתחת לסלע – אך אין לנו דרך לדעת זאת מראש."

אם החופרים מגיעים במקרה לפתח חלל, ניתן לחפור אותו, אך אין דרך לזהות מראש היכן נמצאים החללים הללו. "במחקר הנוכחי אנחנו מציעים לראשונה שיטה חדשנית שהוכחה כיעילה במיוחד לזיהוי חללים תת-קרקעיים באמצעות גלאים לקרינה קוסמית — ובעיקר גלאים של חלקיקי מיון."

איך זה עובד – הפיזיקה מאחורי המיונים

מיון הוא חלקיק יסודי הדומה לאלקטרון, אך מסתו גדולה ממנו פי 207. המיונים נוצרים באטמוספירה כאשר חלקיקים אנרגטיים, בעיקר פרוטונים, מתנגשים בגרעיני מולקולות האוויר. מההתנגשות נולדים חלקיקים לא יציבים בשם פיאונים (pions), המתפרקים במהירות לחלקיקי מיון.למרות שתוחלת החיים של מיון קצרה מאוד – כ־2.2 מיקרו־שניות בלבד – הם נעים כמעט במהירות האור, ובזכות תורת היחסות של איינשטיין, רבים מהם מספיקים לחדור לקרקע לפני שהם מתפרקים.

"זרם המיונים פוגע בקרקע בקצב קבוע וידוע," מסביר פרופ' עציון."בניגוד לאלקטרונים, שנעצרים לאחר סנטימטרים ספורים, המיונים מאבדים אנרגיה לאט, וחלקם חודרים לעומק רב — עד 100 מטרים במקרה של חלקיקים אנרגטיים במיוחד. לכן, על ידי הצבת גלאים תת-קרקעיים ומעקב אחר הסביבה, ניתן לזהות חללים ריקים שבהם איבוד האנרגיה של המיונים מזערי."

התהליך דומה לצילום רנטגן: קרני X נעצרות בעצמות אך עוברות דרך רקמות רכות, והמצלמה קולטת את התמונה. כאן, המיונים הם "קרני הרנטגן", הגלאי הוא המצלמה, והחללים התת-קרקעיים הם "גוף האדם".

ניסוי בעיר דוד – הוכחת היתכנות

החוקרים ביצעו הדגמה באתר "בור ירמיהו" בעיר דוד. הם שילבו סריקת LiDAR תלת־ממדית של פנים החלל עם סימולציות של זרם המיונים, ובכך הצליחו למפות חריגות מבניות.באמצעות מדידת שינויים ביכולת החדירה של המיונים בקרקע, הוכיחה המערכת את היכולת להשתמש ב־טומוגרפיית מיון (Muon Tomography) ככלי הדמיה ארכיאולוגי.

"זהו צעד ראשון וחשוב," אומר פרופ' ליפשיץ. "כעת אנו מזמינים את קהילת הפיזיקאים להיענות לצרכים הארכיאולוגיים ולפתח גלאים קטנים, פשוטים, מדויקים, חסכוניים ועמידים יותר. בשלב הבא אנו מתכננים לשלב פיזיקה, ארכיאולוגיה ובינה מלאכותית ליצירת הדמיה תלת־ממדית של תת־הקרקע על בסיס הנתונים הנאספים מהגלאים. אתר הניסוי הבא שלנו יהיה תל עזקה שבשפלת יהודה, הצופה על עמק האלה."

מבט קדימה – שילוב פיזיקה וארכיאולוגיה

"לא מדובר בהמצאה חדשה שלנו," מוסיף פרופ' עציון."כבר בשנות ה־60 השתמשו במיונים כדי לחפש חללים נסתרים בפירמידות במצרים, ובשנים האחרונות הטכנולוגיה קמה לתחייה.החידוש שלנו הוא בפיתוח גלאים קטנים וניידים, וביכולת להפעילם בשטחי חפירה. אחרי הכול, יש הבדל עצום בין ניסוי במעבדה לבין גלאי שפועל במערה או באתר ארכיאולוגי – שם נתקלים בבעיות של חשמל, טמפרטורה ולחות."

טווחי הגילוי תלויים במשך המדידה: ככל שהגלאי רחוק יותר, כך כמות החלקיקים הפוגעת בו קטנה. עם זאת, ניתן לנתח תצלומים ממרחק של עד 30 מטרים בפרקי זמן סבירים.

"זו הסיבה שאנחנו שואפים להציב מספר גלאים או להזיזם ממקום למקום, כדי לבנות בהדרגה תמונה תלת־ממדית מלאה של האתר כולו. וזוהי רק ההתחלה. השלב הבא יהיה ניתוח חכם שיאפשר לנו למפות כל מה שנמצא מתחת לרגלינו — עוד לפני תחילת החפירה."