La fotocamera Compton misura la polarizzazione dei raggi gamma in un esperimento di fisica nucleare

Ripubblicato da Platone

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Struttura nucleare: il funzionamento interno di alcuni nuclei rari potrebbe presto essere compreso meglio utilizzando una fotocamera Compton multistrato. (Per gentile concessione di iStock/Girolamo-Sferrazza-Papa)

Una fotocamera Compton è stata utilizzata per misurare la polarizzazione dei raggi gamma in un esperimento di fisica nucleare. Ciò è stato fatto da una squadra guidata da Shintaro Vai al RIKEN Cluster giapponese per la ricerca pionieristica. Dicono che il loro nuovo approccio potrebbe aiutare i fisici a sondare la struttura dei nuclei atomici in modo molto più dettagliato.

Un nucleo atomico contiene protoni e neutroni legati insieme dalla forza forte. Proprio come gli elettroni in un atomo o in una molecola, questi protoni e neutroni possono esistere in una serie di stati energetici distinti, spesso associati a diverse forme del nucleo. Le transizioni tra questi stati spesso comportano l’emissione di fotoni di raggi gamma e lo studio di questi fotoni fornisce importanti informazioni sulla struttura interna dei nuclei – una disciplina chiamata spettroscopia nucleare.

Questi studi implicano la determinazione sia dello spin che della parità dei nuclei, cosa che può essere fatta misurando la polarizzazione dei raggi gamma emessi. Tuttavia, effettuare misurazioni accurate della polarizzazione dei raggi gamma non è un compito facile.

Fotocamera multistrato

Recentemente, nuove opportunità per misurazioni di alta qualità sono arrivate da un design di fotocamera Compton multistrato al tellururo di cadmio, sviluppato per la prima volta da Tadayuki Takahashi e colleghi dell'Università di Tokyo.

Una fotocamera Compton comprende almeno due strati di materiale che interagiscono e rilevano i raggi gamma. Il processo inizia con la diffusione anelastica (Compton) di un fotone di raggi gamma dal primo strato. Il fotone viene quindi assorbito dal secondo strato. Utilizzando le informazioni sulla posizione ottenute dal rilevamento di entrambi questi eventi, la fonte dei raggi gamma incidenti può essere fatta risalire a un cerchio nello spazio. Misurando molte di queste interazioni, la sorgente di un fascio di raggi gamma può essere individuata nell'intersezione dei cerchi. Di conseguenza, le fotocamere Compton hanno svolto un ruolo importante nell'astronomia dei raggi gamma.

In effetti, il progetto di Takahashi è stato sviluppato inizialmente per essere utilizzato nella missione giapponese Hitomi, un telescopio spaziale sfortunato lanciato nel 2016. Tuttavia, Go sottolinea che “questo tipo di rilevatore è stato da allora applicato a un'ampia gamma di campi. Le sue applicazioni spaziano dalla localizzazione di materiali radioattivi rilasciati dopo l’incidente della centrale nucleare in Giappone, al ruolo di tracker multi-sonda nella medicina nucleare”.

Polarizzazione dipendente

Ora, il team di Go ha utilizzato la fotocamera Compton di Takahashi in un esperimento di spettroscopia nucleare che ha misurato la polarizzazione dei raggi gamma. La loro tecnica sfrutta il fatto che la probabilità che un fotone sia disperso Compton con un particolare angolo dipende dalla sua polarizzazione. Ciò significa che una fotocamera Compton può essere utilizzata per determinare la polarizzazione di un fascio di raggi gamma proveniente da una sorgente in una posizione nota.

"Questo approccio fornisce preziose informazioni sulla polarizzazione lineare dei raggi gamma provenienti dai nuclei eccitati", afferma Go.

L'imaging Compton apre nuove strade per l'imaging diagnostico

Nell'esperimento, i ricercatori hanno sparato un raggio di protoni contro una sottile lamina di ferro. Alcuni di questi protoni si diffondono dai nuclei di ferro-56, mettendo i nuclei in uno stato eccitato che decade per l’emissione di un fotone di raggi gamma. In questo esperimento di prova di principio, è stata scelta questa transizione nucleare perché i raggi gamma vengono emessi con una polarizzazione ben nota.

Per la gioia di Go e colleghi, la polarizzazione dei fotoni misurata dalla loro fotocamera Compton corrispondeva strettamente al valore noto. Avendo dimostrato con successo la loro nuova tecnica sperimentale, il team di Go spera che la fotocamera possa presto essere applicata più ampiamente negli esperimenti di spettroscopia nucleare all'avanguardia.

"I nostri risultati includono una sensibilità straordinariamente elevata e un'efficienza di rilevamento efficiente", descrive Go. Dice che questo sarà molto utile per studiare i nuclei radioattivi rari, che comporta la rilevazione di numeri molto piccoli di fotoni.

La ricerca è descritta in Rapporti scientifici.