La caméra Compton mesure la polarisation des rayons gamma dans une expérience de physique nucléaire

Republié par Platon

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Structure nucléaire : le fonctionnement interne de certains noyaux rares pourrait bientôt être mieux compris grâce à l'utilisation d'une caméra Compton multicouche. (Autorisation : iStock/Girolamo-Sferrazza-Papa)

Une caméra Compton a été utilisée pour mesurer la polarisation des rayons gamma dans une expérience de physique nucléaire. Cela a été réalisé par une équipe dirigée par Shintaro Aller au RIKEN Cluster for Pioneering Research au Japon. Ils disent que leur nouvelle approche pourrait aider les physiciens à sonder la structure des noyaux atomiques de manière beaucoup plus détaillée.

Un noyau atomique contient des protons et des neutrons liés entre eux par une force forte. Tout comme les électrons d’un atome ou d’une molécule, ces protons et neutrons peuvent exister dans un certain nombre d’états énergétiques distincts, souvent associés à différentes formes du noyau. Les transitions entre ces états impliquent souvent l’émission de photons gamma et l’étude de ces photons fournit des informations importantes sur la structure interne des noyaux – une discipline appelée spectroscopie nucléaire.

Ces études consistent à déterminer à la fois le spin et la parité des noyaux, ce qui peut être réalisé en mesurant la polarisation des rayons gamma émis. Cependant, effectuer des mesures précises de la polarisation des rayons gamma n’est pas une tâche facile.

Caméra multicouche

Récemment, de nouvelles opportunités de mesures de haute qualité sont venues d'une conception de caméra Compton multicouche au tellurure de cadmium qui a été développée pour la première fois par Tadayuki Takahashi et collègues de l'Université de Tokyo.

Une caméra Compton comprend au moins deux couches de matériau qui interagissent avec les rayons gamma et les détectent. Le processus commence par une diffusion inélastique (Compton) d'un photon gamma à partir de la première couche. Le photon est ensuite absorbé par la deuxième couche. En utilisant les informations de position issues de la détection de ces deux événements, la source du rayon gamma incident peut être retracée jusqu'à un cercle dans l'espace. En mesurant un grand nombre de ces interactions, la source d’un faisceau de rayons gamma peut être localisée à l’intersection des cercles. En conséquence, les caméras Compton ont joué un rôle important dans l’astronomie gamma.

En effet, la conception de Takahashi a été développée pour la première fois pour être utilisée dans le cadre de la mission japonaise Hitomi, un télescope spatial malheureux lancé en 2016. Cependant, Go souligne que « ce type de détecteur a depuis été appliqué à un large éventail de domaines. Ses applications vont de la localisation de matières radioactives libérées après l’accident d’une centrale nucléaire au Japon à la fonction de traqueur multi-sonde en médecine nucléaire.

Dépendant de la polarisation

Aujourd'hui, l'équipe de Go a utilisé la caméra Compton de Takahashi dans une expérience de spectroscopie nucléaire mesurant la polarisation des rayons gamma. Leur technique tire parti du fait que la probabilité qu'un photon soit diffusé par Compton sous un angle particulier dépend de sa polarisation. Cela signifie qu'une caméra Compton peut être utilisée pour déterminer la polarisation d'un faisceau de rayons gamma provenant d'une source située à un emplacement connu.

"Cette approche fournit des informations précieuses sur la polarisation linéaire des rayons gamma provenant des noyaux excités", explique Go.

L'imagerie Compton ouvre de nouvelles voies pour l'imagerie diagnostique

Dans l’expérience, les chercheurs ont tiré un faisceau de protons sur une fine feuille de fer. Certains de ces protons se dispersent à partir des noyaux de fer 56, plaçant les noyaux dans un état excité qui se désintègre par l'émission d'un photon gamma. Dans cette expérience de démonstration de principe, cette transition nucléaire a été choisie car les rayons gamma sont émis avec une polarisation bien connue.

Pour le plus grand plaisir de Go et de ses collègues, la polarisation des photons mesurée par leur caméra Compton correspondait étroitement à la valeur connue. Après avoir démontré avec succès leur nouvelle technique expérimentale, l'équipe de Go espère que la caméra pourra bientôt être utilisée plus largement dans des expériences de spectroscopie nucléaire de pointe.

"Nos résultats incluent une sensibilité remarquablement élevée et une efficacité de détection efficace", décrit Go. Il dit que cela sera très utile pour étudier les noyaux radioactifs rares, ce qui implique la détection d'un très petit nombre de photons.

La recherche est décrite dans Rapports scientifiques.