特務電影成真：建築和地球結構都能透視的「渺子成像術」——專訪中央大學物理系郭家銘教授與地科系陳建志教授

想像一下特務電影的經典橋段：主角成功潛入敵方基地，接著拿出他的神秘裝置，把它安裝在牆上，不到幾秒時間，基地內部的空間結構圖就全部呈現在螢光幕上。這種透視整座建築物的技術，讓電影展現了近未來的科幻色彩，那麼，在現實世界中，我們還有多久才能開發出這樣的技術？ 
「不用未來，事實上現在是可以的，但要幾秒那麼短的時間倒是不可能。」中央大學物理系的郭家銘老師說，只要利用「渺子成像術」就能做到，他和中央大學地科系的陳建志老師、電機系林祐生老師、中研院物理所林志勳老師執行中的計畫，就是在研究這項技術，不過他們透視的主要對象不是建築物，而是山體。

幫巨大物體照X光的新型成像術

說明渺子成像術之前，首先要介紹什麼是「渺子（muon）」。渺子是組成物質的基本粒子之一，最早在1936年被物理學家卡爾．安德森（Carl Anderson）發現，和電子一樣屬於輕子，兩者最大的不同之處在於，渺子的質量比電子重了約210倍，這點讓渺子具有很強的穿透能力。自然界中的渺子主要由外太空來的宇宙射線撞擊大氣層氣體分子後，經由π介子衰變來到地表，在你閱讀這篇文章的同時，也有無數的渺子從四面八方飛來，以接近光速穿過你的身體。


渺子是經由宇宙射線撞擊大氣層氣體分子後，由π介子衰變而來。圖/郭家銘教授、陳建志教授 提供

渺子的另一個特性是，在密度越大的物質中，它的能量損失得越快。在福島核電站的修復工程中，渺子探測的技術被用來從安全距離之外探測密度極高的鈾、鈈等放射性物質，以免修復人員受到輻射影響，這是其他成像技術無法做到的。而對於密度沒那麼高的建築物，或是山體、岩層等地球結構，渺子有可能穿透長達數公里的距離。渺子成像術的基本原理，就是分析不同角度探測到的渺子數目，再反過來推算探測目標內部各部份的密度，只要有兩個點的數據，就能建立三維的透視結構，就像是幫建築和山體照X光。以在的中央大學的圖書館來說，雖然無法像電影一樣在幾秒內成像，但也只要一週左右就能得到不錯的成果。

郭家銘老師說，渺子成像術在臺灣是個不常聽到的詞，但相關實驗在1950年代就已經出現，其中最有名的是在1960年代，研究團隊在沒有傷害金字塔結構的情況下，用渺子成像術找出了內部隱藏的密室。郭家銘老師則是在2014年，在西班牙的高能物理研討會得知這項技術。

「我做的是高能物理，常有人覺得我們的研究成果沒什麼應用價值，那時候聽到這樣一項報告，是可以在民生經濟上提供一些幫助的，聽起來就很酷。」郭家銘老師說，一般人覺得高能物理就是研究基本粒子，是很純的物理，但這個領域也對人類生活有不少貢獻。卡爾．安德森在發現渺子的同一年因為發現正子獲得諾貝爾獎，當時沒人知道怎麼應用，但現在正子被用來治療癌症，這就是從高能物理開展出的新技術，渺子成像術也是其中之一。

西班牙的會議後過了幾年，郭家銘老師有一名助教找到新型渺子探測器的論文，幫助兩名學生試著自行製作；兩年前剛好科技部推出鼓勵跨領域研究的沙克爾頓計畫，經過一番牽線，郭家銘老師找到了以前的鄰居陳建志老師，開始執行計畫，試著將渺子成像術應用在地球科學領域的探測上。


渺子探測儀。圖/郭家銘教授、陳建志教授 提供

「我們地球物理的研究者，一直都是用各種方法在地表測量物理場，去得知地底下的結構，各式各樣的探測技術都想要積極開發。」陳建志老師說，渺子探測出的物理量是岩體的密度，傳統的測量方式是重力測勘，但這種方式探測的對象往往是以數公里為單位，沒辦法做更細緻的探測。「以臺灣來說，我們很容易因為豪雨造成山崩，但這種事件不會無端發生，有潛在危險的坡體，在某些地方是破碎的，密度會比緻密、完整的岩層更小。像這種數十公尺級的對象，用傳統的重力法很難做得到，但渺子探測術能解析的空間非常細，就可以應用在這種地方，來找出有邊坡危害的土地。」作為一項發展中的新技術，渺子成像術可以探測的對象體積大，解析度可高達數十公尺，也不需要額外產生震波、電流等人工信號，有著各種讓陳建志老師期待的優點，但也理所當然地，有著許多要面對的挑戰。
 
初次應用實驗，為隧道工程探勘前路

由郭家銘、陳建志兩位老師主持的渺子成像術應用計畫，研究團隊含括了物理系、地科系、電機系等不同系所的成員，目前已經執行到第二年。在最初的一年半，團隊專注於兩個目標：新型探測器的研發，和反演算法的的發展。


郭家銘、陳建志兩位老師主持的渺子成像術應用計畫研究團隊。圖/郭家銘教授、陳建志教授 提供

郭家銘老師說，在高能物理這個領域，為了實驗寫程式、設計電路板是稀鬆平常的事。目前他們正在建造的探測器和傳統用於渺子成像術的探測器不同，體積更小，需要的電壓也從1000伏特減少到30伏特，用在戶外實驗的機動性更高。得到測量的數據後，還需要有個反演算法去回推觀測對象內部各部份的密度，這部份的技術則是由地科系的成員來持續完善。陳建志老師說，反演算法本來就是地球物理領域的重要技術，就像是把觀測對象拆解成一個個小方塊，根據不同位置、角度測量到得渺子數量，來推測每個方塊的密度。郭家銘老師在一旁開玩笑，說一般人對物理學家常有埋首計算的印象，沒想到這次合作下來，才知道地科系要懂的數學比物理系深不少。

經過了充分的測試後，團隊在2020年底開始現場探測的實驗。當時石門水庫的阿姆坪防淤隧道正在開挖，陳建志老師在現場做物理探查，剛好介紹團隊來施工現場探測。「這個隧道的鑽挖過程可能會遇到一段，地質上我們叫新店斷層的東西。新店斷層在阿姆坪這個位置的上方，有一層非常多的煤炭層，開挖過程會經常聚集沼氣，在工程上有高度危險。」陳建志老師說，隧道工程中有項作業叫前進探查，隨著隧道往前鑽挖，會持續探測前方岩體的材質。傳統的探查方式用的是力學波，但陳建志老師認為，渺子成像術有取代傳統方式的潛力，讓未來的隧道工程更加安全，便介紹團隊來到阿姆坪的施工現場，把探測器架設在開挖中的隧道前，持續測量渺子通過的數量。 


探測器架設在阿姆坪開挖中的隧道前，測量渺子通過的數量。圖/郭家銘教授、陳建志教授 提供

由於垂直方向的渺子穿過的只有大氣層，當探測器對準正上方，測量到的渺子數量最多，而隨著探測器仰角越來越低，渺子要通過的障礙就越多，測量到的渺子會越來越少，而水平方向通過的渺子則是最少的。阿姆坪的地勢比預期中更平，雖然不至於無法探測，但就得增加探測器的數量，否則就得把實驗天數拉長，才能取得足夠的數據。

除了實驗時間必需拉長外，實驗本身進行得相當順利，至今已不中斷進行三個月的實驗。高能物理的實驗通常在室內進行，溫度和濕度都被嚴格控制，郭家銘老師原本對戶外實驗帶有不安，也確實遇到了電力系統不足等問題，但團隊很快地一一解決，新型的探測器也成功挺過溫濕度的劇烈變化，在日夜溫差動輒二三十度變化、晴天午後突然雷雨的環境中持續運作，確實達到了實際應用的標準，為完善反演算法提供了充分的數據。

經過了阿姆坪的實地測試，整個研究的研發階段已經可以宣告結束，正式進入量產階段。目前團隊搭建的探測器面積是20cmx20cm，未來除了增加數量，也準備建造更大的探測器，到沙克爾頓計畫結束時預計可以做成目前四到六倍大，目標則是目前的一百倍大，讓團隊能更快地測量山體、變更地點，增加掃描山體的效率。也許再過幾年，替山和建築物照X光的技術將不再科幻，深藏在地表之下的岩層和礦脈，都將透過渺子成像術輕易地呈現在我們的眼前。

原文轉載自科技大觀園 【熊一蘋  科技大觀園特約編輯】
https://scitechvista.nat.gov.tw/Article/C000003/detail?ID=bf33e454-f8f9-4075-b79c-a4db9e6c7d3c