กล้องคอมป์ตันวัดโพลาไรเซชันของรังสีแกมมาในการทดลองฟิสิกส์นิวเคลียร์

เผยแพร่ซ้ำโดยเพลโต

ผู้ติดตาม: 0

โครงสร้างนิวเคลียร์: การทำงานภายในของนิวเคลียสที่หายากบางชนิดสามารถเข้าใจได้ดีขึ้นในไม่ช้าโดยใช้กล้องคอมป์ตันหลายชั้น (เอื้อเฟื้อโดย: iStock/Girolamo-Sferrazza-Papa)

กล้องคอมป์ตันถูกนำมาใช้เพื่อวัดโพลาไรเซชันของรังสีแกมมาในการทดลองฟิสิกส์นิวเคลียร์ งานนี้ทำโดยทีมงานที่นำโดย ชินทาโร่ โก ที่คลัสเตอร์ RIKEN เพื่อการวิจัยบุกเบิกของญี่ปุ่น พวกเขากล่าวว่าแนวทางใหม่ของพวกเขาสามารถช่วยให้นักฟิสิกส์ตรวจสอบโครงสร้างของนิวเคลียสของอะตอมได้อย่างละเอียดยิ่งขึ้น

นิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนที่ถูกรวมเข้าด้วยกันด้วยแรงอย่างแรง เช่นเดียวกับอิเล็กตรอนในอะตอมหรือโมเลกุล โปรตอนและนิวตรอนเหล่านี้สามารถดำรงอยู่ในสถานะพลังงานที่แตกต่างกันจำนวนหนึ่ง ซึ่งมักจะเกี่ยวข้องกับรูปร่างที่แตกต่างกันของนิวเคลียส การเปลี่ยนผ่านระหว่างสถานะเหล่านี้มักเกี่ยวข้องกับการปล่อยโฟตอนรังสีแกมมา และการศึกษาโฟตอนเหล่านี้ให้ข้อมูลที่สำคัญเกี่ยวกับโครงสร้างภายในของนิวเคลียส ซึ่งเป็นระเบียบวินัยที่เรียกว่านิวเคลียร์สเปกโทรสโกปี

การศึกษาเหล่านี้เกี่ยวข้องกับการระบุทั้งการหมุนและความเท่าเทียมกันของนิวเคลียส ซึ่งสามารถทำได้โดยการวัดโพลาไรเซชันของรังสีแกมมาที่ปล่อยออกมา อย่างไรก็ตาม การวัดโพลาไรซ์รังสีแกมมาอย่างแม่นยำไม่ใช่เรื่องง่าย

กล้องหลายชั้น

เมื่อเร็วๆ นี้ โอกาสใหม่สำหรับการวัดคุณภาพสูงมาจากการออกแบบกล้อง Compton แบบแคดเมียม–เทลลูไรด์หลายชั้นที่พัฒนาขึ้นครั้งแรกโดย ทาดายูกิ ทาคาฮาชิ และเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยโตเกียว

กล้องคอมป์ตันประกอบด้วยวัสดุอย่างน้อยสองชั้นที่ทำปฏิกิริยากับและตรวจจับรังสีแกมมา กระบวนการนี้เริ่มต้นด้วยการกระเจิงของโฟตอนรังสีแกมมาอย่างไม่ยืดหยุ่น (คอมป์ตัน) จากชั้นแรก จากนั้นโฟตอนจะถูกดูดซับโดยชั้นที่สอง ด้วยการใช้ข้อมูลตำแหน่งจากการตรวจจับเหตุการณ์ทั้งสองนี้ จึงสามารถติดตามแหล่งที่มาของรังสีแกมมาตกกระทบกลับไปยังวงกลมในอวกาศได้ ด้วยการวัดอันตรกิริยาดังกล่าว จึงสามารถระบุแหล่งที่มาของลำแสงรังสีแกมมาที่จุดตัดของวงกลมได้ ด้วยเหตุนี้ กล้องคอมป์ตันจึงมีบทบาทสำคัญในดาราศาสตร์รังสีแกมมา

แท้จริงแล้ว การออกแบบของทาคาฮาชิได้รับการพัฒนาครั้งแรกเพื่อใช้ในภารกิจฮิโตมิของญี่ปุ่น ซึ่งเป็นกล้องโทรทรรศน์อวกาศที่โชคไม่ดีที่เปิดตัวในปี 2016 อย่างไรก็ตาม โก ชี้ให้เห็นว่า “เครื่องตรวจจับประเภทนี้ได้ถูกนำไปใช้กับสาขาที่หลากหลายตั้งแต่นั้นมา การใช้งานมีตั้งแต่การค้นหาวัสดุกัมมันตภาพรังสีที่ปล่อยออกมาหลังอุบัติเหตุโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ในญี่ปุ่น ไปจนถึงการใช้เป็นตัวติดตามแบบหลายหัววัดในเวชศาสตร์นิวเคลียร์”

ขึ้นอยู่กับโพลาไรซ์

ตอนนี้ ทีมงานของโกได้ใช้กล้องคอมป์ตันของทากาฮาชิในการทดลองสเปกโทรสโกปีนิวเคลียร์ที่วัดโพลาไรเซชันของรังสีแกมมา เทคนิคของพวกเขาใช้ประโยชน์จากข้อเท็จจริงที่ว่าความน่าจะเป็นที่โฟตอนจะมีคอมป์ตันกระจัดกระจายในมุมใดมุมหนึ่งนั้นขึ้นอยู่กับโพลาไรเซชันของมัน ซึ่งหมายความว่ากล้องคอมป์ตันสามารถใช้เพื่อระบุโพลาไรเซชันของลำแสงรังสีแกมมาที่มีต้นกำเนิดจากแหล่งกำเนิด ณ ตำแหน่งที่ทราบได้

“แนวทางนี้ให้ข้อมูลที่มีค่าเกี่ยวกับโพลาไรเซชันเชิงเส้นของรังสีแกมมาจากนิวเคลียสที่ตื่นเต้น” Go กล่าว

การถ่ายภาพด้วยคอมป์ตันเปิดช่องทางใหม่สำหรับการถ่ายภาพเพื่อการวินิจฉัย

ในการทดลองนี้ นักวิจัยได้ยิงลำแสงโปรตอนไปที่แผ่นเหล็กบางๆ โปรตอนเหล่านี้บางส่วนกระจัดกระจายจากนิวเคลียสของเหล็ก-56 ส่งผลให้นิวเคลียสอยู่ในสถานะตื่นเต้นที่จะสลายตัวโดยการปลดปล่อยโฟตอนของรังสีแกมมา ในการทดลองพิสูจน์หลักการนี้ การเปลี่ยนผ่านนิวเคลียร์นี้ถูกเลือกเนื่องจากรังสีแกมมาถูกปล่อยออกมาพร้อมกับโพลาไรเซชันที่รู้จักกันดี

เพื่อความพอใจของ Go และเพื่อนร่วมงาน โพลาไรเซชันของโฟตอนที่วัดโดยกล้อง Compton ของพวกเขานั้นตรงกับค่าที่ทราบอย่างใกล้ชิด หลังจากประสบความสำเร็จในการสาธิตเทคนิคการทดลองใหม่ ทีมงานของ Go หวังว่ากล้องจะสามารถนำมาใช้อย่างกว้างขวางมากขึ้นในการทดลองสเปกโทรสโกปีทางนิวเคลียร์ที่ล้ำสมัยในไม่ช้า

“การค้นพบของเรามีความไวสูงอย่างน่าทึ่งและประสิทธิภาพการตรวจจับที่มีประสิทธิภาพ” Go อธิบาย เขากล่าวว่าสิ่งนี้จะมีประโยชน์มากสำหรับการศึกษานิวเคลียสกัมมันตภาพรังสีที่หายาก ซึ่งเกี่ยวข้องกับการตรวจหาโฟตอนจำนวนน้อยมาก

งานวิจัยได้อธิบายไว้ใน รายงานทางวิทยาศาสตร์.