Compton-kamera måler gammastrålepolarisering i kjernefysikkeksperiment – ​​Physics World

Et Compton-kamera har blitt brukt til å måle polarisasjonen av gammastråler i et kjernefysikkeksperiment. Dette ble gjort av et team ledet av Shintaro Go ved Japans RIKEN-klynge for banebrytende forskning. De sier at deres nye tilnærming kan hjelpe fysikere til å undersøke strukturen til atomkjerner i mye bedre detalj.

En atomkjerner inneholder protoner og nøytroner som er bundet sammen av den sterke kraften. På samme måte som elektroner i et atom eller molekyl, kan disse protonene og nøytronene eksistere i en rekke forskjellige energitilstander - ofte assosiert med forskjellige former på kjernen. Overganger mellom disse tilstandene involverer ofte utslipp av gammastrålefotoner, og studiet av disse fotonene gir viktig informasjon om den indre strukturen til kjerner - en disiplin som kalles kjernespektroskopi.

Disse studiene innebærer å bestemme både spinn og paritet til kjerner, noe som kan gjøres ved å måle polarisasjonen til de utsendte gammastrålene. Det er imidlertid ingen enkel oppgave å gjøre nøyaktige målinger av gammastrålepolarisering.

Flerlags kamera

Nylig har nye muligheter for målinger av høy kvalitet kommet fra et flerlags kadmium-telluride Compton-kameradesign som først ble utviklet av Tadayuki Takahashi og kolleger ved University of Tokyo.

Et Compton-kamera består av minst to lag med materiale som samhandler med og oppdager gammastråler. Prosessen begynner med at et gammastrålefoton uelastisk (Compton) sprer seg fra det første laget. Fotonet blir deretter absorbert av det andre laget. Ved å bruke posisjonsinformasjon fra deteksjonen av begge disse hendelsene, kan kilden til den innfallende gammastrålen spores tilbake til en sirkel i rommet. Ved å måle mange slike interaksjoner kan kilden til en stråle av gammastråler lokaliseres til skjæringspunktet mellom sirklene. Som et resultat har Compton-kameraer spilt en viktig rolle i gammastrålastronomi.

Faktisk ble Takahashis design først utviklet for bruk på Japans Hitomi-oppdrag, som var et skjebnesvangert romteleskop som ble skutt opp i 2016. Go påpeker imidlertid at «denne typen detektor har siden blitt brukt på et bredt spekter av felt. Dens bruksområder spenner fra å lokalisere radioaktive materialer som ble sluppet ut etter kjernekraftverksulykken i Japan, til å fungere som en multisondesporer innen nukleærmedisin."

Polarisasjonsavhengig

Nå har Gos team brukt Takahashis Compton-kamera i et kjernespektroskopi-eksperiment som målte polarisasjonen av gammastråler. Teknikken deres utnytter det faktum at sannsynligheten for at et foton er Compton spredt i en bestemt vinkel er avhengig av polarisasjonen. Dette betyr at et Compton-kamera kan brukes til å bestemme polarisasjonen til en gammastråle som stammer fra en kilde på et kjent sted.

"Denne tilnærmingen gir verdifull informasjon om den lineære polariseringen av gammastråler fra eksiterte kjerner," sier Go.

I eksperimentet skjøt forskerne en stråle med protoner mot en tynn jernfolie. Noen av disse protonene sprer seg fra jern-56 kjerner – og setter kjernene i en eksitert tilstand som forfaller ved emisjon av et gammastrålefoton. I dette proof-of-princip-eksperimentet ble denne kjernefysiske overgangen valgt fordi gammastrålene sendes ut med en velkjent polarisering.

Til glede for Go og kollegene samsvarte fotonpolarisasjonen målt av deres Compton-kamera nøye med den kjente verdien. Etter å ha demonstrert sin nye eksperimentelle teknikk, håper Gos team at kameraet snart kan brukes mer utbredt i toppmoderne kjernespektroskopiske eksperimenter.

"Våre funn inkluderer bemerkelsesverdig høy følsomhet og effektiv deteksjonseffektivitet," beskriver Go. Han sier at dette vil være svært nyttig for å studere sjeldne radioaktive kjerner, som innebærer å oppdage svært små antall fotoner.

Forskningen er beskrevet i Vitenskapelige rapporter.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/compton-camera-measures-gamma-ray-polarization-in-nuclear-physics-experiment/