Comptonova kamera meri polarizacijo žarkov gama v poskusu jedrske fizike

Ponovno objavil Platon

Spremljevalci: 0

Jedrska struktura: notranje delovanje nekaterih redkih jeder bi lahko kmalu bolje razumeli z uporabo večplastne Comptonove kamere. (Z dovoljenjem: iStock/Girolamo-Sferrazza-Papa)

Comptonova kamera je bila uporabljena za merjenje polarizacije žarkov gama v poskusu jedrske fizike. To je naredila ekipa pod vodstvom Shintaro Go na japonskem RIKEN grozdu za pionirsko raziskovanje. Pravijo, da bi njihov nov pristop lahko pomagal fizikom, da bi veliko bolj podrobno raziskali strukturo atomskih jeder.

Atomsko jedro vsebuje protone in nevtrone, ki jih med seboj veže močna sila. Podobno kot elektroni v atomu ali molekuli lahko ti protoni in nevtroni obstajajo v številnih različnih energijskih stanjih – ki so pogosto povezana z različnimi oblikami jedra. Prehodi med temi stanji pogosto vključujejo emisijo fotonov žarkov gama in preučevanje teh fotonov zagotavlja pomembne informacije o notranji strukturi jeder – disciplina, imenovana jedrska spektroskopija.

Te študije vključujejo določanje vrtenja in paritete jeder, kar je mogoče narediti z merjenjem polarizacije oddanih žarkov gama. Vendar natančno merjenje polarizacije žarkov gama ni lahka naloga.

Večplastna kamera

Nedavno so nove priložnosti za visokokakovostne meritve prišle iz večplastne kadmij-teluridne Comptonove zasnove kamere, ki jo je prvi razvil Tadayuki Takahashi in sodelavci na Univerzi v Tokiu.

Comptonova kamera je sestavljena iz vsaj dveh plasti materiala, ki interagirata z žarki gama in jih zaznavata. Proces se začne s fotonom žarkov gama, ki se neelastično (Compton) sipa iz prve plasti. Foton nato absorbira druga plast. Z uporabo informacij o položaju iz zaznave obeh dogodkov je mogoče vir vpadnega žarka gama izslediti nazaj do kroga v vesolju. Z merjenjem številnih takšnih interakcij je mogoče vir žarka gama natančno določiti do presečišča krogov. Posledično so Comptonove kamere igrale pomembno vlogo v astronomiji žarkov gama.

Dejansko je bil Takahashijev dizajn najprej razvit za uporabo na japonski misiji Hitomi, ki je bil nesrečni vesoljski teleskop, ki je bil izstreljen leta 2016. Vendar Go poudarja, da se »ta vrsta detektorja od takrat uporablja na številnih področjih. Njegove uporabe segajo od lociranja radioaktivnih materialov, ki so se sprostili po nesreči jedrske elektrarne na Japonskem, do tega, da služi kot sledilnik z več sondami v nuklearni medicini.

Odvisno od polarizacije

Gojeva ekipa je zdaj uporabila Takahashijevo kamero Compton v poskusu jedrske spektroskopije, ki je meril polarizacijo žarkov gama. Njihova tehnika izkorišča dejstvo, da je verjetnost, da je foton Compton razpršen pod določenim kotom, odvisna od njegove polarizacije. To pomeni, da je mogoče uporabiti Comptonovo kamero za določanje polarizacije žarka gama, ki izvira iz vira na znani lokaciji.

"Ta pristop zagotavlja dragocene informacije o linearni polarizaciji žarkov gama iz vzbujenih jeder," pravi Go.

Comptonovo slikanje odpira nove poti za diagnostično slikanje

V poskusu so raziskovalci izstrelili žarek protonov na tanko folijo železa. Nekateri od teh protonov se razpršijo iz jeder železa-56 – jedra spravijo v vzbujeno stanje, ki razpade z emisijo fotona žarkov gama. V tem eksperimentu za dokazovanje načela je bil ta jedrski prehod izbran, ker se žarki gama oddajajo z dobro znano polarizacijo.

Na veselje Goja in kolegov se je polarizacija fotonov, izmerjena z njihovo Comptonovo kamero, zelo ujemala z znano vrednostjo. Po uspešni predstavitvi svoje nove eksperimentalne tehnike Gojeva ekipa upa, da bo kamera kmalu lahko širše uporabljena v najsodobnejših poskusih jedrske spektroskopije.

»Naše ugotovitve vključujejo izjemno visoko občutljivost in učinkovito učinkovitost zaznavanja,« opisuje Go. Pravi, da bo to zelo koristno za preučevanje redkih radioaktivnih jeder, kar vključuje zaznavanje zelo majhnega števila fotonov.

Raziskava je opisana v Znanstvena poročila.