Onderzoekers bouwen in 2023 een muon-detector in een grot onder de Stad van David. (Met dank aan Gilad Mizrachi / Universiteit van Tel Aviv)

Door The Times of Israel – Diana Bletter

Vorig jaar kronkelde en abseilde een team van natuurkundigen en archeologen van de Universiteit van Tel Aviv zich een weg naar een ondergrondse grot buiten de Oude Stad van Jeruzalem, waarbij ze touwen en katrollen gebruikten om een ​​aanzienlijk bouwwerk naar beneden te sjouwen.

Het grote apparaat, bestaande uit stapels metalen onderdelen die met elkaar zijn verbonden door een wirwar van draden, buizen, snoeren en klemmen, was ongeveer het minst waarschijnlijke wat je zou verwachten in de rotsachtige uithoeken van de grot, als een tijdmachine die ons 3000 jaar terug in de tijd is laat landen.

In sommige opzichten was dat precies wat het was.

Het apparaat stond bekend als een muon-detector en was in de grot geplaatst in de hoop subatomaire deeltjes te gebruiken om tot nu toe onontdekte geheime doorgangen in beeld te brengen die naar de Gihon-bron leidden, de waterbron van de stad in de oudheid – zonder een schop op te pakken.

“Alle oude steden hadden een watervoorziening nodig en versterkte, geheime manieren om daar te komen in geval van nood of oorlog”, zegt prof. Oded Lipschits, directeur van Ancient Israel Studies aan de universiteit en een van de vier coördinatoren van een project om de tunnels, kamers en kanalen onder Jeruzalem in kaart te brengen.

Het apparaat, gebouwd door het team van de Universiteit van Tel Aviv, was ontworpen om de hoekverdeling van muonen vast te leggen en te registreren: kleine maar krachtige deeltjes die ontstaan ​​wanneer kosmische straling de atmosfeer van de aarde binnendringt.

Onderzoekers verplaatsen een muon-detector naar een grot onder de Stad van David in 2023. (Met dank aan: Gilad Mizrachi / Universiteit van Tel Aviv)

Voor archeologen biedt het gebruik van deeltjesfysica om in vaste grond te kijken een verleidelijke manier om een ​​glimp op te vangen van de geschiedenis van een stad die dicht opeengepakt is met lagen van oude nederzettingen, maar net zo boordevol zit met religieuze gevoeligheden. Dit maakt invasieve opgravingen onder veel van de belangrijkste locaties – vooral de Tempelberg – een beladen, zo niet onmogelijke onderneming.

Volgens Lipschits zou de methode, bekend als muon-radiografie, licht kunnen werpen op het leven in Jeruzalem lang geleden, inclusief de vestingwerken gebouwd door de inwoners van de stad, de graven en ruimtes die ze mogelijk hebben uitgehouwen, en hun toegang tot water tijdens vijandelijke belegeringen.

Onderzoekers geloven dat de detector de onderste steen boven kan halen – zonder stenen te verplaatsen of mensen en gebouwen boven de grond te ontwrichten.

De Gihonbron in de Davidstad in Jeruzalem. (Tal Glick/Stad van David Facebook)

“Het is onze droom om ondergronds te scannen op zoek naar tunnels die ons naar de Tempelberg zouden kunnen leiden”, zegt prof. Erez Etzion van de School of Physics and Astronomy. “De muon-detectoren kunnen ons voorzien van hulpmiddelen om passief ondergronds te zoeken.”

Voor het project werkten Etzion, Liron Barak en een team van de school voor natuurkunde samen met prof. Yuval Gadot van de Rosenberg School of Jewish Studies and Archaeology, evenals met Lipschits, Yiftah Shalev van de Israel Antiquities Authorities en een team van Rafael Industries, inclusief Yiftah Silver.

Naast de Gihonbron was er een tweede muon-detector opgesteld achter wat bekend staat als de Stone Stepped Structure, een enorme muur in de Stad van David die gedateerd is op zo’n 3000 jaar geleden.

Een zicht op de moderne wijk Silwan, met de oostelijke heuvelrug waar de oude stad van David zich bevond. (iStock/Klug-Photo)

De plek, ongeveer halverwege tussen de Gihonbron en de Tempelberg, is het diepste punt op de oostelijke helling van de Stad van David, een smalle heuvelrug die afdaalt van net ten zuiden van de Tempelberg richting de Kidronvallei, buiten de oude stadsmuren, en de thuisbasis van de moderne wijk Silwan. Archeologen hebben het gebied geïdentificeerd als het oudste deel van Jeruzalem en koppelen het aan Bijbelse verhalen over de stad.

Door de detector op de Tempelberg te richten, hopen de onderzoekers deze te gebruiken om tunnels of ondergrondse ruimtes te ontdekken die van het platform, waar niet onder gegraven kan worden, naar de bron lopen.

Lipschits en Etzion kennen elkaar al sinds de middelbare school in Kiryat Tivon, waar ze ruim veertig jaar geleden samen in het waterpoloteam speelden. ‘Oude geschiedenis,’ grapte Etzion.

Op de universiteit spraken de twee professoren over de verschillende ideeën waaraan ze werkten en besloten vervolgens samen te werken aan dit project dat natuurkunde met archeologie combineert.

Erez Etzion, zittend, en Oded Lipschits. (Met dank aan: Gilad Mizrachi / Universiteit van Tel Aviv)

“Als historicus vind ik het belangrijk om onze geschiedenis te begrijpen”, aldus Lipschits. “De Stad van David is de belangrijkste plaats voor alle drie de monotheïstische religies van de wereld.”

Muonen worden in de hogere atmosfeer uitgezonden door kosmische straling uit de ruimte die samenwerkt met atomen in de atmosfeer van de aarde. De muonen reizen bijna met de snelheid van het licht en zijn vrijwel niet te stoppen. Ze kunnen vrijwel alles doordringen, inclusief massief gesteente. Door de detector op een lagere hoogte op te stellen dan het doelgebied en deze in de juiste hoek te plaatsen, kunnen de wetenschappers de snelheid analyseren waarmee de muonen het te bestuderen object passeren.

“Omdat de muonen uit de lucht komen, moet je de detector op een plek plaatsen die lager is dan het afgeschermde gebied, om te zien of er enige afwijking in de grond is tussen die detector en het oppervlak”, legt Etzion uit.

Als de detector meer muonen ontvangt dan verwacht, betekent dit dat de deeltjes gedurende ten minste een deel van hun ondergrondse reis niet door de materie zijn gereisd, maar door een lege holte, zei Etzion.

Een model dat de Stad van David toont zoals deze er mogelijk uitzag tijdens de Tweede Tempelperiode. Het badwater van Siloam, gevoed door de Gihon-bron, is onderaan te zien. (iStock/Linda.Johnsonbaugh)

Het onderzoek van de wetenschappers is gebaseerd op “een oud idee” uit de jaren zestig, toen het team van onderzoekers van Nobelprijswinnaar natuurkundige Luis Alvarez muondetectoren gebruikte om de piramide van Chefren in Egypte te scannen.

Alvarez heeft ‘de geheime tronen niet gevonden’, maar ‘hij heeft wel een bruikbaar apparaat bedacht’, zei Etzion. In 2023 ontdekten onderzoekers, ook met behulp van muondetectoren, een onbekende kamer in de Grote Piramide in Gizeh

Wetenschappers in Italië werken nu aan het gebruik van muonen om de binnenkant van de Vesuvius in kaart te brengen, om de uitbarstende dynamiek te modelleren van de vulkaan die Pompeii in 79 na Chr. verwoestte en nog steeds een bedreiging vormt voor de stad Napels.

De Egyptische minister van Oudheden, Khaled El-Anani, links, en Zahi Hawass, het voormalige hoofd van de Egyptische oudheid, tweede van links, luisteren naar de Franse deskundige Sebastien Procureur voor een muondetector in een tent voor de Grote Piramide, in Gizeh, Egypte , donderdag 2 juni 2016. (AP/Amr Nabil)

In Jeruzalem hopen de onderzoekers binnen de komende twee jaar een hele reeks detectoren op te zetten. Met meerdere detectoren, gebruikmakend van wat bekend staat als muon-tomografie, denkt het team dat het niet alleen kan bespioneren waar holtes zich bevinden, maar ook metingen kan doen van hun afmetingen en wat zich daarin kan bevinden, door een 3D-kaart van de ondergrondse van de oude stad te maken.

De natuurkundigen werken momenteel aan de ontwikkeling van een innovatieve techniek die de nauwkeurigheid van de detector en het vermogen om kleinere holtes te detecteren vergroot.

‘Je kunt niet naar buiten gaan om een ​​muondetector te kopen,’ zei Etzion wrang. “Je moet het zelf bouwen.”

Etzion was betrokken bij het bouwen van muondetectoren voor het ATLAS-experiment bij CERN Large Hadron Collider, in Zwitserland. Hij zei echter dat “het installeren van een detector in een laboratoriumomgeving, heel wat anders is” dan het ondergronds bouwen van een detector.

“Het was een uiterst uitdagende taak”, herinnert Etzion zich. “In het lab bevinden we ons in een steriele omgeving; hier hebben we in een paar gekke dagen een detector herbouwd, onder de grond waar het donker en vochtig is, ver weg van een schoon laboratorium met ideale omstandigheden.”

Onderzoekers plaatsen in 2023 een muondetector in een grot onder de Gihonbron. (Met dank aan: Gilad Mizrachi / Universiteit van Tel Aviv)

Wat de uitdaging nog groter maakt, is dat de detectoren ook gedurende langere perioden in de vochtige ondergrondse omgeving moeten blijven. De snelheid waarmee muonen de grond binnendringen is erg langzaam en het verzamelen van gegevens duurt momenteel maanden, zei Etzion. Niettemin ontdekte hij dat de detector ‘verrassend goed’ werkte.

“Het verbaasde ons echt dat het überhaupt werkte”, gaf hij toe.

Naast de archeologie zou de methode kunnen worden gebruikt om tunnels te helpen detecteren die door de terreurgroepen Hamas en Hezbollah worden gegraven onder respectievelijk de grenzen van Gaza en Libanon. Maar voorlopig houdt het team van de Universiteit van Tel Aviv zijn detectoren gericht op tunnels van een ouder type.

“We verbeteren voortdurend het ontwerp van de apparaten die bediening en detectie in zware ondergrondse omstandigheden mogelijk maken”, aldus Etzion. “We hebben aangetoond dat we verborgen tunnels en kanalen van het oude Jeruzalem echt in kaart kunnen brengen.”