LẦN ĐẦU TIÊN MUON NHÌN THẤY BÊN TRONG LỒNG NGỰC

Muon là những người anh em nặng hơn của electron, khối lượng lớn gấp khoảng 200 lần. Chính khối lượng đó cho phép muon nhanh đi xuyên qua những lớp vật chất rất dày mà chỉ mất ít năng lượng. Tia vũ trụ liên tục trút muon xuống bề mặt Trái Đất, và các nhà vật lý đã biến chúng thành một công cụ tạo ảnh: chụp ảnh muon (muography). Kỹ thuật này đã thăm dò núi lửa, sông băng và các di chỉ khảo cổ, và nổi tiếng với việc phát hiện một khoảng trống lớn chưa từng biết bên trong Đại Kim tự tháp Giza.

Một kỹ thuật thứ hai, chụp cắt lớp tán xạ muon (muon scattering tomography), đo mức độ mỗi muon bị lệch hướng khi đi qua một vật thể. Các vật liệu đặc và nặng làm muon lệch mạnh, vì thế phương pháp này được dùng để kiểm tra hàng hóa và tìm kiếm vật liệu hạt nhân được che chắn.

Tín hiệu yếu nhất có thể

Cơ thể người là trường hợp ngược lại. Mô mềm được cấu tạo từ các nguyên tố nhẹ và có mật độ tương tự nhau. Độ lệch mà chúng tạo ra nhỏ hơn nhiều bậc độ lớn so với urani hay thép. Liệu chụp cắt lớp muon có nhìn thấy được gì trong mô mềm hay không vẫn là câu hỏi bỏ ngỏ.

Sức hấp dẫn là có thật: những muon mang vài tỷ electronvôn đi xuyên qua cơ thể mà chỉ để lại ít năng lượng. Các tác giả không xem chúng là thứ thay thế máy chụp X-quang, mà là một sự bổ sung khả dĩ ở những nơi mà liều thấp hoặc việc chụp lặp lại là quan trọng. Vướng mắc nằm ở nguồn: dòng muon vũ trụ tự nhiên quá yếu, còn những chùm muon cường độ cao chỉ có ở các máy gia tốc lớn.

Một lồng ngực nhựa trong chùm tia của CERN

Dipanwita Banerjee ở CERN cùng các đồng nghiệp từ ETH Zurich và Viện Vật lý Hạt ở Valencia đã mượn một mô hình lồng ngực Alderson (Alderson thorax phantom) từ Bệnh viện Đại học Geneva. Đây là một mô hình dùng trong đo liều lâm sàng: một thân người bằng nhựa tương đương mô, có phổi, tim, gan và một bộ xương hoàn chỉnh làm từ vật liệu tương đương xương.

Vào tháng 4 năm 2026, họ đặt nó trong một chùm muon 2 GeV/c tại máy gia tốc Proton Synchrotron của CERN. Hai đầu dò phía trước và hai phía sau ghi lại đường đi vào và ra của từng muon, từ đó cho ra độ lệch của nó. Họ xoay mô hình bằng tay tới bảy góc và giữ lại 293.035 muon.

Một thân người bằng nhựa trong suốt có xương sườn đứng trên bàn xoay giữa các cặp đầu dò tròn, một mũi tên xanh lục đánh dấu chùm tia.

Mô hình lồng ngực Alderson đặt giữa các bộ dò vết phía trước (T1, T2) và phía sau (T3, T4) trên đường chùm tia T9 của CERN. — Hình 1, Banerjee, Banto Oberhauser, Crivelli & Molina Bueno (2026), arXiv:2610.16647.

Ảnh tái tạo thô rất nhiễu. Vì vậy nhóm bổ sung một mạng nơ-ron 3D khử nhiễu, chỉ được huấn luyện trên 50 mô hình mô phỏng với các cơ quan được thay đổi kích thước ngẫu nhiên — không bao giờ trên dữ liệu thật.

Sai lệch dưới 1% so với giá trị thực

Chùm tia hẹp, khoảng 6 x 4 xentimét. Chỉ một vùng nhỏ được nhìn thấy từ cả bảy góc: một khối khoảng 8 xentimét quanh tim, 0,8% cơ thể. Mọi kết quả chính xác đều áp dụng cho vùng đó.

Ba bản đồ của mô hình cho thấy một lõi trung tâm màu đỏ sẫm được nhìn thấy từ cả bảy góc, bao quanh là những vùng được nhìn từ ít góc hơn.

Những phần nào của mô hình thực sự được chùm tia chiếu tới: lõi đỏ sẫm được nhìn thấy từ cả bảy góc, chiếm khoảng 0,8% cơ thể. — Hình 2, Banerjee, Banto Oberhauser, Crivelli & Molina Bueno (2026), arXiv:2610.16647.

Trong lõi đó, mật độ tán xạ đo được là 1,304 × 10⁻⁴ rad²/m, so với khoảng 1,297 × 10⁻⁴ dự kiến từ mô phỏng: mức khớp tốt hơn 1%, không cần hiệu chuẩn lại.
Thay đổi mức độ chặt chẽ khi lọc các vết lạc làm ảnh thô thay đổi 15%, nhưng đầu ra của mạng thay đổi chưa tới 1%.
Bên ngoài lõi, xương sườn, xương ức và cột sống hiện ra gần đúng chỗ của chúng, với mật độ gần đúng của xương, nhưng bị kéo dài thành những vệt.

Những gì phương pháp bỏ sót cũng nói lên nhiều điều. Thành tim của mô hình chứa những khuyết tật nhỏ chứa đầy không khí, từ 9 đến 14 mililít. Chúng không được phục hồi: tín hiệu của chúng, khoảng 10%, nằm ngay ở ngưỡng nhiễu thống kê. Các tác giả ước tính rằng với lượng muon gấp mười lần, chúng sẽ chạm tới ngưỡng phát hiện.

Hai microgray

Mỗi voxel của lõi có khoảng 58 muon đi qua. Các tác giả ước tính liều cục bộ vào khoảng 2 microgray, và khoảng 20 nếu tăng số muon lên mười lần. Để so sánh, họ nêu khoảng 0,1 millisievert cho một lần chụp X-quang ngực và khoảng 6 cho một lần chụp CT ngực — đồng thời lưu ý rằng các đại lượng này không thể so sánh trực tiếp và một đánh giá lâm sàng sẽ cần tính toán liều đầy đủ.

Từ máy gia tốc tới phòng khám?

Theo các tác giả, đây là minh chứng thực nghiệm đầu tiên về chụp cắt lớp tán xạ muon trên mô mềm. Một hệ thống lâm sàng sẽ cần nhiều góc hơn nhiều và độ căn chỉnh chính xác dưới một milimét. Mục tiêu tự nhiên của nó sẽ là những tổn thương có độ tương phản mật độ rõ rệt, như một nốt đặc nằm trong phổi chứa đầy không khí, hoặc mô bị vôi hóa. Giờ đây mọi thứ phụ thuộc vào nguồn muon: nhóm hướng tới các máy gia tốc nhỏ gọn chạy bằng laser, hứa hẹn tạo ra chùm tia từ những cơ sở chỉ cỡ một căn phòng.