Camera Compton măsoară polarizarea razelor gamma în experimentul de fizică nucleară – Physics World

Camera Compton măsoară polarizarea razelor gamma în experimentul de fizică nucleară – Physics World

Marca temporală: 20 martie 2024 9:09 AM


Structura nucleară
Structura nucleară: funcționarea interioară a unor nuclee rare ar putea fi în curând mai bine înțeleasă prin utilizarea unei camere Compton multistrat. (Cu amabilitatea: iStock/Girolamo-Sferrazza-Papa)

O cameră Compton a fost folosită pentru a măsura polarizarea razelor gamma într-un experiment de fizică nucleară. Acest lucru a fost făcut de o echipă condusă de Shintaro Go la Clusterul RIKEN din Japonia pentru cercetare de pionierat. Ei spun că această abordare nouă ar putea ajuta fizicienii să cerceteze structura nucleelor ​​atomice în detaliu mult mai bine.

Un nucleu atomic conține protoni și neutroni care sunt legați împreună de forța puternică. La fel ca electronii dintr-un atom sau moleculă, acești protoni și neutroni pot exista într-un număr de stări energetice distincte – adesea asociate cu diferite forme ale nucleului. Tranzițiile între aceste stări implică adesea emisia de fotoni cu raze gamma, iar studiul acestor fotoni oferă informații importante despre structura internă a nucleelor ​​– o disciplină numită spectroscopie nucleară.

Aceste studii presupun determinarea atât a spinului, cât și a parității nucleelor, ceea ce se poate face prin măsurarea polarizării razelor gamma emise. Cu toate acestea, efectuarea de măsurători precise ale polarizării razelor gamma nu este o sarcină ușoară.

Cameră multistrat

Recent, noi oportunități pentru măsurători de înaltă calitate au venit de la un design de cameră multistrat cu telururi de cadmiu Compton, care a fost dezvoltat pentru prima dată de Tadayuki Takahashi și colegii de la Universitatea din Tokyo.

O cameră Compton cuprinde cel puțin două straturi de material care interacționează cu și detectează razele gamma. Procesul începe cu un foton de raze gamma care se împrăștie inelastic (Compton) din primul strat. Fotonul este apoi absorbit de al doilea strat. Folosind informații despre poziție de la detectarea ambelor evenimente, sursa razei gamma incidente poate fi urmărită până la un cerc în spațiu. Măsurând multe astfel de interacțiuni, sursa unui fascicul de raze gamma poate fi localizată la intersecția cercurilor. Drept urmare, camerele Compton au jucat un rol important în astronomia cu raze gamma.

Într-adevăr, designul lui Takahashi a fost dezvoltat pentru prima dată pentru a fi utilizat în misiunea Hitomi din Japonia, care a fost un telescop spațial nefast lansat în 2016. Cu toate acestea, Go subliniază că „acest tip de detector a fost aplicat de atunci într-o gamă largă de domenii. Aplicațiile sale variază de la localizarea materialelor radioactive eliberate după accidentul centralei nucleare din Japonia, până la utilizarea ca instrument de urmărire cu mai multe sonde în medicina nucleară.”

Dependent de polarizare

Acum, echipa lui Go a folosit camera Compton a lui Takahashi într-un experiment de spectroscopie nucleară care a măsurat polarizarea razelor gamma. Tehnica lor profită de faptul că probabilitatea ca un foton să fie împrăștiat Compton la un anumit unghi depinde de polarizarea acestuia. Aceasta înseamnă că o cameră Compton poate fi utilizată pentru a determina polarizarea unui fascicul de raze gamma care provine de la o sursă dintr-o locație cunoscută.

„Această abordare oferă informații valoroase despre polarizarea liniară a razelor gamma din nucleele excitate”, spune Go.

În experiment, cercetătorii au tras un fascicul de protoni către o folie subțire de fier. Unii dintre acești protoni se împrăștie din nucleele de fier-56 - punând nucleele într-o stare excitată care se descompune prin emisia unui foton de raze gamma. În acest experiment de demonstrare a principiului, această tranziție nucleară a fost aleasă deoarece razele gamma sunt emise cu o polarizare bine-cunoscută.

Spre bucuria lui Go și a colegilor, polarizarea fotonului măsurată de camera lor Compton s-a potrivit îndeaproape cu valoarea cunoscută. După ce și-a demonstrat cu succes noua tehnică experimentală, echipa lui Go speră că camera ar putea fi aplicată în curând mai pe scară largă în experimentele de spectroscopie nucleară de ultimă generație.

„Descoperirile noastre includ o sensibilitate remarcabil de mare și o eficiență eficientă de detectare”, descrie Go. El spune că acest lucru va fi foarte util pentru studierea nucleelor ​​radioactive rare, ceea ce implică detectarea unui număr foarte mic de fotoni.

Cercetarea este descrisă în Rapoarte științifice.

Timestamp-ul:

Mai mult de la Lumea fizicii