Kamera Compton mierzy polaryzację promieniowania gamma w eksperymencie z fizyki jądrowej

Opublikowane ponownie przez Plato

Obserwuje: 0

Struktura jądrowa: wewnętrzne działanie niektórych rzadkich jąder będzie można wkrótce lepiej zrozumieć za pomocą wielowarstwowej kamery Comptona. (Dzięki uprzejmości: iStock/Girolamo-Sferrazza-Papa)

Do pomiaru polaryzacji promieni gamma w eksperymencie fizyki jądrowej wykorzystano kamerę Compton. Zrobił to zespół kierowany przez Shintaro Idź w japońskim klastrze RIKEN ds. badań pionierskich. Twierdzą, że ich nowatorskie podejście może pomóc fizykom w znacznie dokładniejszym badaniu struktury jąder atomowych.

Jądra atomowe zawierają protony i neutrony, które są powiązane ze sobą silnym oddziaływaniem. Podobnie jak elektrony w atomie lub cząsteczce, te protony i neutrony mogą istnieć w wielu różnych stanach energetycznych – często związanych z różnymi kształtami jądra. Przejścia między tymi stanami często wiążą się z emisją fotonów promieniowania gamma, a badanie tych fotonów dostarcza ważnych informacji na temat wewnętrznej struktury jąder – dyscypliny zwanej spektroskopią jądrową.

Badania te polegają na określeniu zarówno spinu, jak i parzystości jąder, czego można dokonać poprzez pomiar polaryzacji emitowanych promieni gamma. Jednak dokonanie dokładnych pomiarów polaryzacji promieniowania gamma nie jest łatwym zadaniem.

Kamera wielowarstwowa

Niedawno nowe możliwości w zakresie wysokiej jakości pomiarów stworzyła wielowarstwowa konstrukcja kamery Compton z kadmu i tellurku, która została po raz pierwszy opracowana przez Tadayukiego Takahashiego i współpracownicy z Uniwersytetu Tokijskiego.

Kamera Comptona składa się z co najmniej dwóch warstw materiału, które oddziałują z promieniami gamma i je wykrywają. Proces rozpoczyna się od nieelastycznego (Comptona) rozpraszania fotonu promieniowania gamma z pierwszej warstwy. Foton jest następnie absorbowany przez drugą warstwę. Wykorzystując informacje o pozycji uzyskane w wyniku wykrycia obu tych zdarzeń, źródło padającego promienia gamma można prześledzić wstecz do koła w przestrzeni. Mierząc wiele takich interakcji, źródło wiązki promieni gamma można wskazać w miejscu przecięcia okręgów. W rezultacie kamery Compton odegrały ważną rolę w astronomii promieniowania gamma.

Rzeczywiście projekt Takahashiego został po raz pierwszy opracowany do wykorzystania w japońskiej misji Hitomi, która była niefortunnym teleskopem kosmicznym wystrzelonym w 2016 roku. Go jednak podkreśla, że „ten typ detektora został od tego czasu zastosowany w szerokim zakresie pól. Jego zastosowania sięgają od lokalizacji materiałów radioaktywnych uwolnionych po awarii elektrowni jądrowej w Japonii po wielosondowy tracker w medycynie nuklearnej”.

Zależny od polaryzacji

Teraz zespół Go wykorzystał kamerę Compton Takahashiego w eksperymencie ze spektroskopią jądrową, w którym zmierzono polaryzację promieni gamma. Ich technika wykorzystuje fakt, że prawdopodobieństwo, że foton jest rozproszony Comptona pod określonym kątem, zależy od jego polaryzacji. Oznacza to, że kamerę Comptona można wykorzystać do określenia polaryzacji wiązki promieniowania gamma pochodzącej ze źródła znajdującego się w znanej lokalizacji.

„To podejście dostarcza cennych informacji na temat liniowej polaryzacji promieni gamma ze wzbudzonych jąder” – mówi Go.

Obrazowanie Comptona otwiera nowe możliwości obrazowania diagnostycznego

W eksperymencie naukowcy wystrzelili wiązkę protonów w cienką folię żelaza. Część z tych protonów rozprasza się z jąder żelaza-56, wprowadzając jądra w stan wzbudzony, który rozpada się w wyniku emisji fotonu promieniowania gamma. W tym eksperymencie weryfikującym zasadę wybrano to przejście jądrowe, ponieważ promienie gamma są emitowane z dobrze znaną polaryzacją.

Ku uciesze Go i współpracowników polaryzacja fotonów zmierzona kamerą Compton była bardzo zgodna ze znaną wartością. Po pomyślnym zademonstrowaniu swojej nowej techniki eksperymentalnej zespół Go ma nadzieję, że kamera będzie wkrótce mogła znaleźć szersze zastosowanie w najnowocześniejszych eksperymentach spektroskopii jądrowej.

„Nasze ustalenia obejmują wyjątkowo wysoką czułość i skuteczną skuteczność wykrywania” – opisuje Go. Mówi, że będzie to bardzo przydatne do badania rzadkich jąder radioaktywnych, co wiąże się z wykrywaniem bardzo małej liczby fotonów.

Badania opisano w Doniesienia naukowe.