Η κάμερα Compton μετρά την πόλωση των ακτίνων γάμμα στο πείραμα πυρηνικής φυσικής

Αναδημοσίευση από τον Πλάτωνα

Ακολουθούν: 0

Πυρηνική δομή: η εσωτερική λειτουργία ορισμένων σπάνιων πυρήνων θα μπορούσε σύντομα να γίνει καλύτερα κατανοητή με τη χρήση μιας πολυεπίπεδης κάμερας Compton. (Ευγενική προσφορά: iStock/Girolamo-Sferrazza-Papa)

Μια κάμερα Compton έχει χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση της πόλωσης των ακτίνων γάμμα σε ένα πείραμα πυρηνικής φυσικής. Αυτό έγινε από μια ομάδα με επικεφαλής Shintaro Go στο RIKEN Cluster της Ιαπωνίας για Πρωτοποριακή Έρευνα. Λένε ότι αυτή η νέα τους προσέγγιση θα μπορούσε να βοηθήσει τους φυσικούς να διερευνήσουν τη δομή των ατομικών πυρήνων με πολύ καλύτερη λεπτομέρεια.

Ένας ατομικός πυρήνας περιέχει πρωτόνια και νετρόνια που συνδέονται μεταξύ τους από την ισχυρή δύναμη. Όπως τα ηλεκτρόνια σε ένα άτομο ή ένα μόριο, αυτά τα πρωτόνια και τα νετρόνια μπορούν να υπάρχουν σε έναν αριθμό διακριτών ενεργειακών καταστάσεων – που συχνά συνδέονται με διαφορετικά σχήματα του πυρήνα. Οι μεταβάσεις μεταξύ αυτών των καταστάσεων συχνά περιλαμβάνουν την εκπομπή φωτονίων ακτίνων γάμμα και η μελέτη αυτών των φωτονίων παρέχει σημαντικές πληροφορίες σχετικά με την εσωτερική δομή των πυρήνων - έναν κλάδο που ονομάζεται πυρηνική φασματοσκοπία.

Αυτές οι μελέτες περιλαμβάνουν τον προσδιορισμό τόσο του σπιν όσο και της ισοτιμίας των πυρήνων, κάτι που μπορεί να γίνει με τη μέτρηση της πόλωσης των εκπεμπόμενων ακτίνων γάμμα. Ωστόσο, η πραγματοποίηση ακριβών μετρήσεων της πόλωσης των ακτίνων γάμμα δεν είναι εύκολη υπόθεση.

Πολυεπίπεδη κάμερα

Πρόσφατα, νέες ευκαιρίες για μετρήσεις υψηλής ποιότητας προήλθαν από μια πολυστρωματική σχεδίαση κάμερας Compton από κάδμιο-τελλουρίδιο που αναπτύχθηκε για πρώτη φορά από Tadayuki Takahashi και συναδέλφους στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο.

Μια κάμερα Compton περιλαμβάνει τουλάχιστον δύο στρώματα υλικού που αλληλεπιδρούν και ανιχνεύουν τις ακτίνες γάμμα. Η διαδικασία ξεκινά με ένα φωτόνιο ακτίνων γάμμα που διασκορπίζεται ανελαστικά (Compton) από το πρώτο στρώμα. Το φωτόνιο στη συνέχεια απορροφάται από το δεύτερο στρώμα. Χρησιμοποιώντας πληροφορίες θέσης από την ανίχνευση και των δύο αυτών γεγονότων, η πηγή της προσπίπτουσας ακτίνας γάμμα μπορεί να εντοπιστεί σε έναν κύκλο στο διάστημα. Μετρώντας πολλές τέτοιες αλληλεπιδράσεις, η πηγή μιας δέσμης ακτίνων γάμμα μπορεί να εντοπιστεί με ακρίβεια στην τομή των κύκλων. Ως αποτέλεσμα, οι κάμερες Compton έχουν παίξει σημαντικό ρόλο στην αστρονομία των ακτίνων γάμμα.

Πράγματι, το σχέδιο του Takahashi αναπτύχθηκε για πρώτη φορά για χρήση στην αποστολή Hitomi της Ιαπωνίας, η οποία ήταν ένα δύσμοιρο διαστημικό τηλεσκόπιο που εκτοξεύτηκε το 2016. Ωστόσο, η Go επισημαίνει ότι «αυτός ο τύπος ανιχνευτή έχει από τότε εφαρμοστεί σε ένα ευρύ φάσμα πεδίων. Οι εφαρμογές του κυμαίνονται από τον εντοπισμό ραδιενεργών υλικών που απελευθερώθηκαν μετά το ατύχημα του πυρηνικού εργοστασίου στην Ιαπωνία, έως το να χρησιμεύσει ως ιχνηλάτης πολλαπλών ανιχνευτών στην πυρηνική ιατρική».

Εξαρτάται από την πόλωση

Τώρα, η ομάδα του Go χρησιμοποίησε την κάμερα Compton του Takahashi σε ένα πείραμα πυρηνικής φασματοσκοπίας που μέτρησε την πόλωση των ακτίνων γάμμα. Η τεχνική τους εκμεταλλεύεται το γεγονός ότι η πιθανότητα ότι ένα φωτόνιο είναι το Compton διασκορπισμένο σε μια συγκεκριμένη γωνία εξαρτάται από την πόλωσή του. Αυτό σημαίνει ότι μια κάμερα Compton μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της πόλωσης μιας δέσμης ακτίνων γάμμα που προέρχεται από μια πηγή σε μια γνωστή τοποθεσία.

«Αυτή η προσέγγιση παρέχει πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με τη γραμμική πόλωση των ακτίνων γάμμα από διεγερμένους πυρήνες», λέει ο Go.

Η απεικόνιση Compton ανοίγει νέους δρόμους για διαγνωστική απεικόνιση

Στο πείραμα, οι ερευνητές εκτόξευσαν μια δέσμη πρωτονίων σε ένα λεπτό φύλλο σιδήρου. Μερικά από αυτά τα πρωτόνια διασκορπίζονται από πυρήνες σιδήρου-56 – βάζοντας τους πυρήνες σε μια διεγερμένη κατάσταση που διασπάται από την εκπομπή ενός φωτονίου ακτίνων γάμμα. Σε αυτό το πείραμα απόδειξης της αρχής, αυτή η πυρηνική μετάβαση επιλέχθηκε επειδή οι ακτίνες γάμμα εκπέμπονται με μια γνωστή πόλωση.

Προς ευχαρίστηση του Go και των συναδέλφων, η πόλωση των φωτονίων που μετρήθηκε από την κάμερα Compton ταίριαζε πολύ με τη γνωστή τιμή. Έχοντας επιδείξει με επιτυχία τη νέα πειραματική τεχνική τους, η ομάδα του Go ελπίζει ότι η κάμερα θα μπορούσε σύντομα να εφαρμοστεί ευρύτερα σε πειράματα πυρηνικής φασματοσκοπίας τελευταίας τεχνολογίας.

«Τα ευρήματά μας περιλαμβάνουν εξαιρετικά υψηλή ευαισθησία και αποτελεσματική αποτελεσματικότητα ανίχνευσης», περιγράφει ο Go. Λέει ότι αυτό θα είναι πολύ χρήσιμο για τη μελέτη σπάνιων ραδιενεργών πυρήνων, η οποία περιλαμβάνει την ανίχνευση πολύ μικρών αριθμών φωτονίων.

Η έρευνα περιγράφεται στο Επιστημονικές Εκθέσεις.