뮤온 입자로 지하의 고고학 세계를 지도화한다
지하 세계 매핑 - 뮤온 기술, 고고학 발굴을 위한 지하 3D 이미징에 유망하다
텔아비브 대학교 제공
최근 연구에서는 우주 방사선 검출기cosmic radiation detectors를 사용하여 지하 공간을 발견할 수 있음을 입증했다.
이 검출기는 우주 방사선이 지구 대기와 충돌할 때 생성되는 뮤온 입자를 식별한다.
뮤온muons은 에너지를 잃고 지면을 통과하기 전에 멈춘다. 따라서 뮤온을 검출함으로써 고고학자들은 터널이나 수로와 같은 숨은 공간을 지도로 만들 수 있다.
연구진은 예루살렘 다윗성 유적City of David archaeological site에서 이 기술 효과를 입증하며, 토양의 우주 방사선 입자 흡수율 변화를 기반으로 지하 공간을 성공적으로 매핑하는 시스템을 선보였다.
이 연구는 TAU 레이몬드 앤 베벌리 새클러 물리·천문학부 에레즈 에치온Erez Etzion 교수와 TAU 제이콥 M. 알코우 고고학·고대 근동 문화학과 오데드 립쉬츠Oded Lipschits 교수가 주도했다.
다른 참여자로는 고고학·고대 근동 문화학과 유발 가돗Yuval Gadot 교수, 물리·천문학부 얀 벤하무Yan Benhammou 교수, 이고르 졸킨Igor Zolkin 박사, 박사과정생 길라드 미즈라치, 라파엘 어드밴스드 디펜스 시스템즈의 이프타 실버 박사와 아미르 바이스바인 박사, 그리고 이스라엘 유물청Israel Antiquities Authority 이프타 샬레브Yiftah Shalev 박사가 있다.
이 연구 결과는 응용물리학 저널(Journal of Applied Physics)에 게재되었다.
립쉬츠 교수는 "이집트의 피라미드부터 남미의 마야 도시, 이스라엘의 고대 유적까지 고고학자들은 지하 공간을 발견하는 데 어려움을 겪고 있다"고 말했다.
"지상 구조물은 비교적 쉽게 발굴할 수 있으며, 지표면 아래의 벽과 구조물을 식별하는 방법도 다양합니다. 그러나 고대 유적이 위치한 암석 아래 지하 공간을 종합적으로 조사할 수 있는 효과적인 방법은 없습니다.
예를 들어 유대 산기슭Judean Foothills에서는 단단한 석회암 표층이 부드러운 백악질 토양 위에 놓여 있는데, 고대인들은 이 토양에 저수지, 농업용수, 저장고, 심지어 주거지까지 넓은 공간을 쉽게 파냈습니다.
분명 이러한 지역의 지상 고고학 유적 대부분은 바위 아래에 스위스 치즈처럼 보이지만, 우리는 이를 알 방법이 없습니다.
만약 우연히 지상을 발굴하여 바위에 도달하고 공동의 입구를 발견한다면, 발굴할 수는 있겠지만, 지하 공간을 미리 알아낼 방법은 없습니다. 본 연구에서는 우주선, 특히 뮤온 검출기를 이용하여 지하 공간을 검출하는 데 매우 효과적인 것으로 입증된 혁신적인 방법을 최초로 제안합니다."
연구진은 뮤온이 전자와 유사하지만 질량이 207배 더 큰 기본 입자라고 설명한다.
뮤온은 고에너지 입자, 주로 양성자가 대기 중 분자의 핵과 충돌할 때 대기에서 생성된다.
이 충돌은 파이온pions이라는 불안정한 입자를 생성하는데, 파이온은 매우 빠르게 붕괴하여 뮤온으로 변한다.
뮤온은 수명이 매우 짧아 2.2마이크로초 후에 붕괴되지만, 빛의 속도에 가까운 속도로 움직이며, 아인슈타인의 특수 상대성 이론 덕분에 많은 뮤온이 지면에 도달하여 관통한다.
에치온 교수는 "뮤온 샤워muon shower는 고정되고 알려진 속도로 지면에 충돌한다"고 설명한다.
"지면에 몇 센티미터 깊이까지만 통과하는 전자와 달리, 뮤온은 지면을 통과하면서 에너지를 천천히 잃으며, 어떤 뮤온은 훨씬 더 깊이, 심지어 고에너지 입자의 경우 최대 100미터까지 침투할 수 있습니다. 따라서 뮤온 검출기를 지하에 설치하고 주변 환경을 모니터링함으로써 에너지 손실이 최소화되는 빈 공간을 찾아낼 수 있습니다."
"이 과정은 X선 영상 촬영과 유사합니다. X선 빔은 뼈에 차단되지만 살이나 지방과 같은 연조직은 통과하고, 반대편 카메라가 결과 이미지를 포착합니다. 저희의 경우, 뮤온이 X선 빔 역할을 하고, 검출기가 카메라 역할을 하며, 지하의 지형은 인체입니다."
앞서 언급했듯이, 연구진은 다윗 성 유적의 예레미야의 물탱크(Jeremiah's Cistern)로 알려진 암벽 설치물에서 인상적인 시연을 수행했다.
내부 공동에 대한 고해상도 LiDAR 스캔과 뮤온 플럭스 시뮬레이션을 결합하여 구조적 이상을 매핑할 수 있었다.
뮤온에 대한 토양 침투성 변화를 감지한 이 시스템은 고고학적 이미징에 뮤온 단층촬영을 사용할 수 있음을 보여주었다.
립쉬츠 교수는 "이 논문은 첫 번째 이정표"라고 말했다.
"저희는 물리학자들에게 고고학적 요구에 부응하여 더 작고, 더 간단하고, 더 저렴하고, 더 내구성이 뛰어나고, 더 정확하고, 더 전력 효율적인 검출기를 개발해 줄 것을 요청합니다. 다음 단계에서는 물리학과 고고학을 AI와 결합하여 검출기에서 생성된 방대한 데이터를 바탕으로 지하의 3D 이미지를 생성할 계획입니다. 저희의 시험 장소는 유대 산기슭 중심부에 위치한 텔 아제카Tel Azekah로, 엘라 계곡Elah Valley이 내려다보이는 곳입니다."
에치온 교수는 "이것은 우리가 발명한 것이 아니다"고 덧붙였다.
"1960년대에 이미 뮤온은 이집트 피라미드의 숨은 방을 찾는 데 사용되었으며, 최근 이 기술이 다시 부활했습니다. 저희의 혁신은 작고 이동 가능한 검출기를 개발하고 고고학 유적에서 작동하는 방법을 배우는 것입니다."
"결국 실험실 환경에서 사용하는 검출기와 전기, 온도, 습도 등의 실질적인 문제가 불가피하게 발생하는 동굴이나 발굴 현장으로 가져가야 하는 검출기 사이에는 차이가 있습니다. 검출 거리는 측정 시간에 따라 달라집니다. 검출기가 멀리 있을수록 도달하는 입자의 수는 줄어들지만, 현실적으로는 최대 30미터 거리에서도 합리적인 시간 내에 이미지를 분석할 수 있습니다."
"따라서 우리의 목표는 여러 개 검출기를 설치하거나 하나의 검출기를 여러 곳으로 옮겨 전체 현장의 3D 이미지를 생성하는 것입니다. 그리고 이제 막 시작일 뿐입니다. 다음 단계는 정교한 분석으로, 발굴이 시작되기 전에도 발밑의 모든 것을 지도화할 수 있게 될 것입니다."
More information: Y. Benhammou et al, First demonstration of underground muon imaging at an archaeological site in ancient Jerusalem, Journal of Applied Physics (2025). DOI: 10.1063/5.0273376
Journal information: Journal of Applied Physics
Provided by Tel-Aviv University
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한국고고학에도 적용 중인 지하물리탐사 일종이 아닌가 싶다.