Compton-kamera mäter gammastrålningspolarisering i kärnfysikexperiment – ​​Physics World

En Compton-kamera har använts för att mäta polariseringen av gammastrålar i ett kärnfysikexperiment. Detta gjordes av ett team ledd av Shintaro Go vid Japans RIKEN-kluster för banbrytande forskning. De säger att deras nya tillvägagångssätt kan hjälpa fysiker att undersöka strukturen hos atomkärnor i mycket bättre detalj.

En atomkärna innehåller protoner och neutroner som är sammanbundna av den starka kraften. Ungefär som elektroner i en atom eller molekyl kan dessa protoner och neutroner existera i ett antal distinkta energitillstånd - ofta förknippade med olika former av kärnan. Övergångar mellan dessa tillstånd involverar ofta emission av gammastrålningsfotoner och studiet av dessa fotoner ger viktig information om kärnornas inre struktur – en disciplin som kallas kärnspektroskopi.

Dessa studier involverar bestämning av både spinn och paritet hos kärnor, vilket kan göras genom att mäta polariseringen av de utsända gammastrålarna. Att göra exakta mätningar av gammastrålningspolarisation är dock ingen lätt uppgift.

Flerskiktskamera

Nyligen har nya möjligheter för högkvalitativa mätningar kommit från en flerskikts kadmium-tellurid Compton-kameradesign som först utvecklades av Tadayuki Takahashi och kollegor vid University of Tokyo.

En Compton-kamera består av minst två lager av material som interagerar med och upptäcker gammastrålar. Processen börjar med att en gammastrålefoton oelastiskt (Compton) sprider sig från det första lagret. Fotonen absorberas sedan av det andra lagret. Genom att använda positionsinformation från detekteringen av båda dessa händelser kan källan till den infallande gammastrålningen spåras tillbaka till en cirkel i rymden. Genom att mäta många sådana interaktioner kan källan till en stråle av gammastrålar lokaliseras till skärningspunkten mellan cirklarna. Som ett resultat har Compton-kameror spelat en viktig roll inom gammastrålastronomi.

Faktum är att Takahashis design först utvecklades för användning på Japans Hitomi-uppdrag, som var ett olyckligt rymdteleskop som lanserades 2016. Men Go påpekar att "den här typen av detektor har sedan dess tillämpats på ett brett spektrum av fält. Dess applikationer sträcker sig från att lokalisera radioaktivt material som släppts ut efter kärnkraftsolyckan i Japan, till att fungera som en multi-probe tracker inom nuklearmedicin."

Polarisationsberoende

Nu har Gos team använt Takahashis Compton-kamera i ett kärnspektroskopiexperiment som mätte polariseringen av gammastrålar. Deras teknik drar fördel av det faktum att sannolikheten att en foton är Compton spridd i en viss vinkel är beroende av dess polarisation. Detta innebär att en Compton-kamera kan användas för att bestämma polariseringen av en gammastråle som härrör från en källa på en känd plats.

"Detta tillvägagångssätt ger värdefull information om den linjära polariseringen av gammastrålar från exciterade kärnor", säger Go.

I experimentet sköt forskarna en stråle av protoner mot en tunn folie av järn. Några av dessa protoner sprids från järn-56 kärnor - vilket försätter kärnorna i ett exciterat tillstånd som sönderfaller genom emission av en gammastrålningsfoton. I detta proof-of-princip-experiment valdes denna nukleära övergång eftersom gammastrålarna sänds ut med en välkänd polarisering.

Till glädje för Go och kollegor överensstämde fotonpolarisationen som mättes av deras Compton-kamera nära det kända värdet. Efter att framgångsrikt ha demonstrerat sin nya experimentella teknik hoppas Gos team att kameran snart kan användas mer allmänt i toppmoderna kärnspektroskopiexperiment.

"Våra resultat inkluderar anmärkningsvärt hög känslighet och effektiv detektionseffektivitet," beskriver Go. Han säger att detta kommer att vara mycket användbart för att studera sällsynta radioaktiva kärnor, vilket innebär att detektera mycket små antal fotoner.

Forskningen beskrivs i Vetenskapliga rapporter.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/compton-camera-measures-gamma-ray-polarization-in-nuclear-physics-experiment/