Compton-Kamera misst die Gammastrahlenpolarisation in einem Experiment zur Kernphysik

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Kernstruktur: Mit einer mehrschichtigen Compton-Kamera könnte das Innenleben einiger seltener Kerne bald besser verstanden werden. (Mit freundlicher Genehmigung von iStock/Girolamo-Sferrazza-Papa)

Eine Compton-Kamera wurde verwendet, um die Polarisation von Gammastrahlen in einem kernphysikalischen Experiment zu messen. Dies wurde von einem Team unter der Leitung von durchgeführt Shintaro Go am japanischen RIKEN-Cluster für wegweisende Forschung. Sie sagen, dass ihr neuartiger Ansatz den Physikern helfen könnte, die Struktur von Atomkernen viel detaillierter zu untersuchen.

Ein Atomkern enthält Protonen und Neutronen, die durch starke Kräfte miteinander verbunden sind. Ähnlich wie Elektronen in einem Atom oder Molekül können diese Protonen und Neutronen in einer Reihe unterschiedlicher Energiezustände existieren – oft verbunden mit unterschiedlichen Formen des Kerns. Übergänge zwischen diesen Zuständen beinhalten oft die Emission von Gammastrahlenphotonen und die Untersuchung dieser Photonen liefert wichtige Informationen über die innere Struktur von Kernen – eine Disziplin namens Kernspektroskopie.

Bei diesen Untersuchungen geht es darum, sowohl den Spin als auch die Parität von Kernen zu bestimmen, was durch Messung der Polarisation der emittierten Gammastrahlen erfolgen kann. Allerdings ist es keine leichte Aufgabe, genaue Messungen der Gammastrahlenpolarisation durchzuführen.

Mehrschichtkamera

In jüngster Zeit ergeben sich neue Möglichkeiten für qualitativ hochwertige Messungen durch ein mehrschichtiges Cadmium-Tellurid-Compton-Kameradesign, das erstmals von entwickelt wurde Tadayuki Takahashi und Kollegen an der Universität Tokio.

Eine Compton-Kamera besteht aus mindestens zwei Materialschichten, die mit Gammastrahlen interagieren und diese erkennen. Der Prozess beginnt mit der unelastischen (Compton-)Streuung eines Gammastrahlenphotons an der ersten Schicht. Das Photon wird dann von der zweiten Schicht absorbiert. Mithilfe der Positionsinformationen aus der Erkennung dieser beiden Ereignisse kann die Quelle der einfallenden Gammastrahlung auf einen Kreis im Raum zurückgeführt werden. Durch die Messung vieler solcher Wechselwirkungen kann die Quelle eines Gammastrahlenstrahls auf den Schnittpunkt der Kreise genau lokalisiert werden. Daher haben Compton-Kameras eine wichtige Rolle in der Gammastrahlenastronomie gespielt.

Tatsächlich wurde Takahashis Design erstmals für den Einsatz bei der japanischen Hitomi-Mission entwickelt, einem unglücklichen Weltraumteleskop, das 2016 gestartet wurde. Go weist jedoch darauf hin, dass „dieser Detektortyp seitdem in einem breiten Spektrum von Bereichen eingesetzt wurde“. Seine Anwendungen reichen von der Ortung radioaktiver Stoffe, die nach dem Atomkraftwerksunfall in Japan freigesetzt wurden, bis hin zur Verwendung als Multisonden-Tracker in der Nuklearmedizin.“

Polarisationsabhängig

Jetzt hat Gos Team Takahashis Compton-Kamera in einem Kernspektroskopieexperiment eingesetzt, bei dem die Polarisation von Gammastrahlen gemessen wurde. Ihre Technik macht sich die Tatsache zunutze, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein Photon in einem bestimmten Winkel Compton-gestreut wird, von seiner Polarisation abhängt. Dies bedeutet, dass mit einer Compton-Kamera die Polarisation eines Gammastrahlenstrahls bestimmt werden kann, der von einer Quelle an einem bekannten Ort stammt.

„Dieser Ansatz liefert wertvolle Informationen über die lineare Polarisation von Gammastrahlen aus angeregten Kernen“, sagt Go.

Die Compton-Bildgebung eröffnet neue Möglichkeiten für die diagnostische Bildgebung

Bei dem Experiment feuerten die Forscher einen Protonenstrahl auf eine dünne Eisenfolie. Einige dieser Protonen werden von Eisen-56-Kernen gestreut und versetzen die Kerne in einen angeregten Zustand, der durch die Emission eines Gammastrahlenphotons zerfällt. In diesem Proof-of-Principle-Experiment wurde dieser Kernübergang gewählt, weil die Gammastrahlen mit einer bekannten Polarisation emittiert werden.

Zur Freude von Go und Kollegen entsprach die von ihrer Compton-Kamera gemessene Photonenpolarisation nahezu dem bekannten Wert. Nach der erfolgreichen Demonstration seiner neuen experimentellen Technik hofft Gos Team, dass die Kamera bald breiter in hochmodernen Kernspektroskopieexperimenten eingesetzt werden kann.

„Zu unseren Ergebnissen zählen eine bemerkenswert hohe Empfindlichkeit und eine effiziente Nachweiseffizienz“, beschreibt Go. Er sagt, dass dies sehr nützlich für die Untersuchung seltener radioaktiver Kerne sein wird, bei denen eine sehr kleine Anzahl von Photonen nachgewiesen werden muss.

Die Forschung ist beschrieben in Wissenschaftliche Berichte.