Compton-kamera måler gammastrålepolarisering i kernefysikeksperiment

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

Nuklear struktur: den indre funktion af nogle sjældne kerner kunne snart forstås bedre ved at bruge et flerlags Compton-kamera. (Med høflighed: iStock/Girolamo-Sferrazza-Papa)

Et Compton-kamera er blevet brugt til at måle polariseringen af gammastråler i et kernefysisk eksperiment. Dette blev gjort af et team ledet af Shintaro Go på Japans RIKEN Cluster for Pioneering Research. De siger, at deres nye tilgang kunne hjælpe fysikere med at undersøge strukturen af atomkerner i meget bedre detaljer.

En atomkerne indeholder protoner og neutroner, der er bundet sammen af den stærke kraft. Meget ligesom elektroner i et atom eller et molekyle, kan disse protoner og neutroner eksistere i en række forskellige energitilstande - ofte forbundet med forskellige former for kernen. Overgange mellem disse tilstande involverer ofte emission af gammastrålefotoner, og studiet af disse fotoner giver vigtig information om kernernes indre struktur - en disciplin kaldet kernespektroskopi.

Disse undersøgelser involverer bestemmelse af både spin og paritet af kerner, hvilket kan gøres ved at måle polariseringen af de udsendte gammastråler. Det er imidlertid ingen nem opgave at foretage nøjagtige målinger af gammastrålepolarisering.

Flerlags kamera

For nylig er der kommet nye muligheder for højkvalitetsmålinger fra et flerlags cadmium-tellurid Compton kameradesign, der først blev udviklet af Tadayuki Takahashi og kolleger ved University of Tokyo.

Et Compton-kamera består af mindst to lag materiale, der interagerer med og detekterer gammastråler. Processen begynder med en gammastrålefoton uelastisk (Compton) spredning fra det første lag. Fotonen absorberes derefter af det andet lag. Ved at bruge positionsinformation fra detekteringen af begge disse hændelser kan kilden til den indfaldende gammastråle spores tilbage til en cirkel i rummet. Ved at måle mange sådanne interaktioner kan kilden til en stråle af gammastråler lokaliseres til skæringspunktet mellem cirklerne. Som følge heraf har Compton-kameraer spillet en vigtig rolle i gamma-ray astronomi.

Faktisk blev Takahashis design først udviklet til brug på Japans Hitomi-mission, som var et skæbnesvangert rumteleskop, der blev opsendt i 2016. Go påpeger dog, at "denne type detektor siden er blevet anvendt til en bred vifte af felter. Dens anvendelser spænder fra at lokalisere radioaktive materialer, der er frigivet efter atomkraftværksulykken i Japan, til at fungere som en multi-probe tracker inden for nuklearmedicin."

Polariseringsafhængig

Nu har Go's team brugt Takahashis Compton-kamera i et nuklear spektroskopi-eksperiment, der målte polariseringen af gammastråler. Deres teknik udnytter det faktum, at sandsynligheden for, at en foton er Compton spredt i en bestemt vinkel, er afhængig af dens polarisering. Det betyder, at et Compton-kamera kan bruges til at bestemme polariseringen af en gammastråle, der stammer fra en kilde på et kendt sted.

"Denne tilgang giver værdifuld information om den lineære polarisering af gammastråler fra exciterede kerner," siger Go.

Compton-billeddannelse åbner op for nye muligheder for billeddiagnostik

I forsøget affyrede forskerne en stråle af protoner mod en tynd jernfolie. Nogle af disse protoner spredes fra jern-56 kerner - sætter kernerne i en exciteret tilstand, der henfalder ved emission af en gammastrålefoton. I dette proof-of-principle eksperiment blev denne nukleare overgang valgt, fordi gammastrålerne udsendes med en velkendt polarisering.

Til glæde for Go og kolleger svarede fotonpolariseringen målt af deres Compton-kamera nøje til den kendte værdi. Efter at have demonstreret deres nye eksperimentelle teknik, håber Go's team, at kameraet snart kan anvendes mere bredt i avancerede nukleare spektroskopiske eksperimenter.

"Vores resultater omfatter bemærkelsesværdig høj følsomhed og effektiv detektionseffektivitet," beskriver Go. Han siger, at dette vil være meget nyttigt til at studere sjældne radioaktive kerner, som involverer detektering af meget små antal fotoner.

Forskningen er beskrevet i Videnskabelige rapporter.