Cámara Compton mide la polarización de rayos gamma en un experimento de física nuclear

Reeditado por Platón

seguidores: 0

Estructura nuclear: pronto se podrá comprender mejor el funcionamiento interno de algunos núcleos raros utilizando una cámara Compton multicapa. (Cortesía: iStock/Girolamo-Sferrazza-Papa)

Se ha utilizado una cámara Compton para medir la polarización de los rayos gamma en un experimento de física nuclear. Esto fue realizado por un equipo liderado por Shintaro Go en el grupo japonés RIKEN para investigaciones pioneras. Dicen que su novedoso enfoque podría ayudar a los físicos a investigar la estructura de los núcleos atómicos con mucho más detalle.

Un núcleo atómico contiene protones y neutrones que están unidos por la fuerza fuerte. Al igual que los electrones en un átomo o molécula, estos protones y neutrones pueden existir en varios estados de energía distintos, a menudo asociados con diferentes formas del núcleo. Las transiciones entre estos estados a menudo implican la emisión de fotones de rayos gamma y el estudio de estos fotones proporciona información importante sobre la estructura interna de los núcleos, una disciplina llamada espectroscopia nuclear.

Estos estudios implican determinar tanto el espín como la paridad de los núcleos, lo que se puede realizar midiendo la polarización de los rayos gamma emitidos. Sin embargo, realizar mediciones precisas de la polarización de los rayos gamma no es una tarea fácil.

Cámara multicapa

Recientemente, han surgido nuevas oportunidades para mediciones de alta calidad gracias al diseño de una cámara Compton multicapa de teluro de cadmio que fue desarrollado por primera vez por Tadayuki Takahashi y colegas de la Universidad de Tokio.

Una cámara Compton consta de al menos dos capas de material que interactúan con los rayos gamma y los detectan. El proceso comienza con un fotón de rayos gamma que se dispersa de forma inelástica (Compton) desde la primera capa. Luego, el fotón es absorbido por la segunda capa. Utilizando la información de posición procedente de la detección de ambos eventos, se puede rastrear la fuente del rayo gamma incidente hasta un círculo en el espacio. Midiendo muchas de estas interacciones, se puede localizar la fuente de un haz de rayos gamma en la intersección de los círculos. Como resultado, las cámaras Compton han desempeñado un papel importante en la astronomía de rayos gamma.

De hecho, el diseño de Takahashi se desarrolló por primera vez para su uso en la misión Hitomi de Japón, que fue un telescopio espacial desafortunado que se lanzó en 2016. Sin embargo, Go señala que “desde entonces, este tipo de detector se ha aplicado a una amplia gama de campos. Sus aplicaciones van desde la localización de materiales radiactivos liberados después del accidente de la central nuclear en Japón hasta servir como rastreador de múltiples sondas en medicina nuclear”.

Dependiente de la polarización

Ahora, el equipo de Go ha utilizado la cámara Compton de Takahashi en un experimento de espectroscopia nuclear que midió la polarización de los rayos gamma. Su técnica aprovecha el hecho de que la probabilidad de que un fotón se disperse Compton en un ángulo particular depende de su polarización. Esto significa que se puede utilizar una cámara Compton para determinar la polarización de un haz de rayos gamma que se origina en una fuente en una ubicación conocida.

"Este enfoque proporciona información valiosa sobre la polarización lineal de los rayos gamma procedentes de núcleos excitados", afirma Go.

Las imágenes de Compton abren nuevas vías para el diagnóstico por imágenes

En el experimento, los investigadores dispararon un haz de protones contra una fina lámina de hierro. Algunos de estos protones se dispersan desde los núcleos de hierro-56, poniendo a los núcleos en un estado excitado que decae mediante la emisión de un fotón de rayos gamma. En este experimento de prueba de principio, se eligió esta transición nuclear porque los rayos gamma se emiten con una polarización bien conocida.

Para deleite de Go y sus colegas, la polarización de los fotones medida por su cámara Compton coincidía estrechamente con el valor conocido. Habiendo demostrado con éxito su nueva técnica experimental, el equipo de Go espera que la cámara pronto pueda aplicarse más ampliamente en experimentos de espectroscopia nuclear de última generación.

"Nuestros hallazgos incluyen una sensibilidad notablemente alta y una eficiencia de detección eficiente", describe Go. Dice que esto será muy útil para estudiar núcleos radiactivos raros, lo que implica detectar cantidades muy pequeñas de fotones.

La investigación se describe en Informes científicos.