Compton-camera meet gammastralingspolarisatie in kernfysica-experiment

Heruitgegeven door Plato

volgers: 0

Nucleaire structuur: de innerlijke werking van sommige zeldzame kernen zou binnenkort beter kunnen worden begrepen met behulp van een meerlaagse Compton-camera. (Met dank aan iStock/Girolamo-Sferrazza-Papa)

Een Compton-camera is gebruikt om de polarisatie van gammastraling te meten in een kernfysica-experiment. Dit werd gedaan door een team onder leiding van Shintaro Go bij het Japanse RIKEN Cluster voor baanbrekend onderzoek. Ze zeggen dat hun nieuwe aanpak natuurkundigen zou kunnen helpen de structuur van atoomkernen veel gedetailleerder te onderzoeken.

Een atoomkern bevat protonen en neutronen die door de sterke kracht met elkaar verbonden zijn. Net als elektronen in een atoom of molecuul kunnen deze protonen en neutronen in een aantal verschillende energietoestanden voorkomen – vaak geassocieerd met verschillende vormen van de kern. Overgangen tussen deze toestanden brengen vaak de emissie van gammafotonen met zich mee en de studie van deze fotonen levert belangrijke informatie op over de interne structuur van kernen – een discipline die nucleaire spectroscopie wordt genoemd.

Deze onderzoeken omvatten het bepalen van zowel de spin als de pariteit van kernen, wat kan worden gedaan door de polarisatie van de uitgezonden gammastraling te meten. Het maken van nauwkeurige metingen van gammastralingspolarisatie is echter geen gemakkelijke taak.

Meerlaagse camera

Onlangs zijn er nieuwe mogelijkheden voor metingen van hoge kwaliteit ontstaan door een meerlaags cadmium-telluride Compton-cameraontwerp dat voor het eerst werd ontwikkeld door Tadayuki Takahashi en collega's aan de Universiteit van Tokio.

Een Compton-camera bestaat uit ten minste twee lagen materiaal die interageren met gammastraling en deze detecteren. Het proces begint met een gammafoton die inelastisch (Compton) verstrooit vanuit de eerste laag. Het foton wordt vervolgens geabsorbeerd door de tweede laag. Door positie-informatie te gebruiken die voortkomt uit de detectie van beide gebeurtenissen, kan de bron van de invallende gammastraling worden herleid tot een cirkel in de ruimte. Door veel van dergelijke interacties te meten, kan de bron van een bundel gammastraling nauwkeurig worden bepaald op het snijpunt van de cirkels. Als gevolg hiervan hebben Compton-camera's een belangrijke rol gespeeld in de gammastralingsastronomie.

Het ontwerp van Takahashi werd voor het eerst ontwikkeld voor gebruik op de Japanse Hitomi-missie, een noodlottige ruimtetelescoop die in 2016 werd gelanceerd. Go wijst er echter op dat “dit type detector sindsdien is toegepast op een breed scala aan velden. De toepassingen variëren van het lokaliseren van radioactief materiaal dat vrijkomt na het ongeluk in de kerncentrale in Japan, tot het dienen als multi-sonde tracker in de nucleaire geneeskunde.”

Polarisatie afhankelijk

Nu heeft het team van Go Takahashi's Compton-camera gebruikt in een nucleair spectroscopie-experiment waarbij de polarisatie van gammastraling werd gemeten. Hun techniek maakt gebruik van het feit dat de waarschijnlijkheid dat een foton Compton-verstrooid is onder een bepaalde hoek afhankelijk is van de polarisatie ervan. Dit betekent dat een Compton-camera kan worden gebruikt om de polarisatie te bepalen van een gammastralingsbundel afkomstig van een bron op een bekende locatie.

“Deze aanpak levert waardevolle informatie op over de lineaire polarisatie van gammastraling van aangeslagen kernen”, zegt Go.

Compton-beeldvorming opent nieuwe wegen voor diagnostische beeldvorming

In het experiment vuurden de onderzoekers een straal protonen af op een dunne ijzerfolie. Sommige van deze protonen verspreiden zich vanuit ijzer-56-kernen, waardoor de kernen in een aangeslagen toestand komen die vervalt door de emissie van een gammafoton. In dit proof-of-principle-experiment is voor deze nucleaire transitie gekozen omdat de gammastraling met een bekende polarisatie wordt uitgezonden.

Tot grote vreugde van Go en collega's kwam de door hun Compton-camera gemeten fotonpolarisatie nauw overeen met de bekende waarde. Nadat ze hun nieuwe experimentele techniek met succes hebben gedemonstreerd, hoopt het team van Go dat de camera binnenkort op grotere schaal kan worden toegepast in ultramoderne nucleaire spectroscopie-experimenten.

“Onze bevindingen omvatten een opmerkelijk hoge gevoeligheid en efficiënte detectie-efficiëntie”, beschrijft Go. Hij zegt dat dit zeer nuttig zal zijn voor het bestuderen van zeldzame radioactieve kernen, waarbij zeer kleine aantallen fotonen moeten worden gedetecteerd.

Het onderzoek is beschreven in Wetenschappelijke rapporten.