Câmera Compton mede polarização de raios gama em experimento de física nuclear

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estrutura nuclear — Estrutura nuclear: o funcionamento interno de alguns núcleos raros poderá em breve ser melhor compreendido através da utilização de uma câmara Compton multicamadas. (Cortesia: iStock/Girolamo-Sferrazza-Papa)

Uma câmera Compton foi usada para medir a polarização dos raios gama em um experimento de física nuclear. Isso foi feito por uma equipe liderada por Shintaro Go no Cluster RIKEN para Pesquisa Pioneira do Japão. Eles dizem que sua nova abordagem poderia ajudar os físicos a investigar a estrutura dos núcleos atômicos com muito mais detalhes.

Um núcleo atômico contém prótons e nêutrons que são unidos pela força forte. Tal como os electrões num átomo ou molécula, estes protões e neutrões podem existir num número de estados de energia distintos – frequentemente associados a diferentes formas do núcleo. As transições entre estes estados envolvem frequentemente a emissão de fotões de raios gama e o estudo destes fotões fornece informações importantes sobre a estrutura interna dos núcleos – uma disciplina chamada espectroscopia nuclear.

Esses estudos envolvem a determinação do spin e da paridade dos núcleos, o que pode ser feito medindo a polarização dos raios gama emitidos. No entanto, fazer medições precisas da polarização dos raios gama não é uma tarefa fácil.

Câmera multicamadas

Recentemente, novas oportunidades para medições de alta qualidade vieram de um design de câmera Compton multicamadas de telureto de cádmio que foi desenvolvido pela primeira vez por Tadayuki Takahashi e colegas da Universidade de Tóquio.

Uma câmera Compton compreende pelo menos duas camadas de material que interagem e detectam raios gama. O processo começa com um fóton de raios gama espalhando-se inelasticamente (Compton) a partir da primeira camada. O fóton é então absorvido pela segunda camada. Ao usar informações de posição provenientes da detecção de ambos os eventos, a fonte do raio gama incidente pode ser rastreada até um círculo no espaço. Ao medir muitas dessas interações, a fonte de um feixe de raios gama pode ser identificada na intersecção dos círculos. Como resultado, as câmeras Compton desempenharam um papel importante na astronomia de raios gama.

Na verdade, o projeto de Takahashi foi desenvolvido pela primeira vez para uso na missão Hitomi do Japão, que foi um malfadado telescópio espacial lançado em 2016. No entanto, Go destaca que “desde então, este tipo de detector foi aplicado a uma ampla gama de campos. Suas aplicações vão desde a localização de materiais radioativos liberados após o acidente na usina nuclear no Japão até servir como rastreador multi-sonda em medicina nuclear.”

dependente de polarização

Agora, a equipe de Go usou a câmera Compton de Takahashi em um experimento de espectroscopia nuclear que mediu a polarização dos raios gama. A técnica deles tira vantagem do fato de que a probabilidade de um fóton ser espalhado Compton em um determinado ângulo depende de sua polarização. Isto significa que uma câmera Compton pode ser usada para determinar a polarização de um feixe de raios gama originado de uma fonte em um local conhecido.

“Esta abordagem fornece informações valiosas sobre a polarização linear dos raios gama de núcleos excitados”, diz Go.

A imagem Compton abre novos caminhos para o diagnóstico por imagem

No experimento, os pesquisadores dispararam um feixe de prótons contra uma fina folha de ferro. Alguns destes protões dispersam-se a partir dos núcleos de ferro-56 – colocando os núcleos num estado excitado que decai pela emissão de um fotão de raios gama. Neste experimento de prova de princípio, essa transição nuclear foi escolhida porque os raios gama são emitidos com uma polarização bem conhecida.

Para alegria de Go e colegas, a polarização dos fotões medida pela sua câmara Compton correspondeu de perto ao valor conhecido. Tendo demonstrado com sucesso a sua nova técnica experimental, a equipe de Go espera que a câmera possa em breve ser aplicada de forma mais ampla em experimentos de espectroscopia nuclear de última geração.

“Nossas descobertas incluem sensibilidade notavelmente alta e eficiência de detecção eficiente”, descreve Go. Ele diz que isso será muito útil para estudar núcleos radioativos raros, que envolve a detecção de números muito pequenos de fótons.

A pesquisa é descrita em Relatórios Científicos.