A Compton kamera a gamma-sugárzás polarizációját méri az atomfizikai kísérletben

Újra kiadta Platón

Követő: 0

Atommag szerkezete — Magszerkezet: néhány ritka mag belső működését hamarosan jobban megérthetjük egy többrétegű Compton-kamera használatával. (jóvoltából: iStock/Girolamo-Sferrazza-Papa)

Compton kamerát használtak a gamma-sugarak polarizációjának mérésére egy magfizikai kísérletben. Ezt az általa vezetett csapat végezte Shintaro Go a japán RIKEN úttörő kutatási klaszterben. Azt mondják, hogy új megközelítésük segítheti a fizikusokat az atommagok szerkezetének sokkal részletesebb vizsgálatában.

Az atommagok protonokat és neutronokat tartalmaznak, amelyeket az erős erő köt össze. Hasonlóan az atomokban vagy molekulákban lévő elektronokhoz, ezek a protonok és neutronok számos különböző energiaállapotban létezhetnek – gyakran az atommag különböző formáihoz kapcsolódnak. Az ezen állapotok közötti átmenetek gyakran gamma-fotonok kibocsátásával járnak, és ezeknek a fotonoknak a tanulmányozása fontos információkkal szolgál az atommagok belső szerkezetéről – ezt a tudományágat magspektroszkópiának nevezik.

Ezek a vizsgálatok magukban foglalják az atommagok spinjének és paritásának meghatározását, ami a kibocsátott gamma-sugarak polarizációjának mérésével végezhető el. A gamma-sugárzás polarizációjának pontos mérése azonban nem könnyű feladat.

Többrétegű kamera

A közelmúltban új lehetőségek nyíltak a kiváló minőségű mérések terén a többrétegű kadmium-tellurid Compton kamera kialakítása révén, amelyet először Tadayuki Takahashi és kollégái a Tokiói Egyetemen.

A Compton-kamera legalább két olyan anyagrétegből áll, amelyek kölcsönhatásba lépnek a gamma-sugárzással, és érzékelik azokat. A folyamat azzal kezdődik, hogy egy gamma-foton rugalmatlan (Compton) szóródik ki az első rétegből. A fotont ezután a második réteg elnyeli. Mindkét esemény észleléséből származó helyzetinformáció felhasználásával a beeső gammasugár forrása egy térbeli körre vezethető vissza. Sok ilyen kölcsönhatás mérésével a gamma-sugarak forrása pontosan meghatározható a körök metszéspontjához. Ennek eredményeként a Compton kamerák fontos szerepet játszottak a gamma-csillagászatban.

Valójában a Takahashi tervét először a japán Hitomi küldetésben való használatra fejlesztették ki, amely egy szerencsétlenül járt űrtávcső volt, amelyet 2016-ban indítottak útnak. A Go azonban rámutat, hogy „az ilyen típusú detektorokat azóta számos területen alkalmazzák. Alkalmazása a japán atomerőmű-baleset után kibocsátott radioaktív anyagok lokalizálásától a nukleáris medicina többszondás nyomkövetőjéig terjed.

Polarizáció függő

Most Go csapata Takahashi Compton kameráját használta egy magspektroszkópiai kísérletben, amely a gamma-sugarak polarizációját mérte. Technikájuk azt a tényt használja ki, hogy annak a valószínűsége, hogy egy foton egy adott szögben Compton-szórt lesz, a polarizációjától függ. Ez azt jelenti, hogy egy Compton-kamerával meg lehet határozni egy ismert helyen lévő forrásból származó gamma-sugár polarizációját.

"Ez a megközelítés értékes információkat szolgáltat a gerjesztett magokból származó gamma-sugárzás lineáris polarizációjáról" - mondja Go.

A Compton képalkotás új utakat nyit meg a diagnosztikai képalkotásban

A kísérlet során a kutatók protonsugarat lőttek ki egy vékony vasfóliára. E protonok egy része kiszóródik a vas-56 atommagokról – gerjesztett állapotba hozva az atommagokat, amely egy gamma-foton kibocsátásával bomlik le. Ebben az alapelv-bizonyítási kísérletben azért választottuk ezt a magátmenetet, mert a gamma-sugarakat jól ismert polarizációval bocsátják ki.

Go és munkatársai örömére a Compton kamerájuk által mért fotonpolarizáció szorosan megegyezett az ismert értékkel. Miután sikeresen bemutatták új kísérleti technikájukat, a Go csapata reméli, hogy a kamerát hamarosan szélesebb körben is alkalmazni fogják a legkorszerűbb nukleáris spektroszkópiai kísérletekben.

„Eredményeink között szerepel a rendkívül magas érzékenység és a hatékony észlelési hatékonyság” – írja Go. Azt mondja, hogy ez nagyon hasznos lesz ritka radioaktív atommagok tanulmányozásához, ami nagyon kis számú foton detektálásával jár.

A kutatás leírása a Tudományos jelentései.