Датчик для астрономии глубокого космоса заглянул в сердце атома

Ученые взяли инструмент, изначально предназначенный для изучения огромных небесных объектов в космосе, и перепрофилировали его для исследования мира в бесконечно меньших масштабах. С помощью этого инструмента им удалось исследовать сердце атома. Команда хотела понять изменения квантового масштаба, которые происходят внутри нестабильных атомов, и поняла, что существует современный поляриметр гамма-излучения, к которому они могли бы подключиться.

Это устройство, известное как камера Комптона, может измерять поляризацию световых волн высокой энергии. Другими словами, он может определить, в каком направлении ориентирован такой высокоэнергетический свет. Однако единственное, что этот инструмент был технически создан для астрономии дальнего космоса, а не для атомных исследований. Фактически, ученые построили его, потому что хотели разместить его на спутнике Хитоми для наблюдения за высокоэнергетическими космическими процессами.

Тем не менее, камера теперь доказала свою универсальность. Зафиксировав поляризацию гамма-лучей, испускаемых атомными ядрами, а не далекими галактическими объектами, ему удалось выявить внутреннюю структуру атомного ядра, а также любые изменения, которым могут подвергаться эти ядра.

Комптоновская химия 101

Комптоновские камеры используются для определения направления и энергии гамма-лучей с помощью явления, называемого «комптоновским рассеянием». Комптоновское рассеяние происходит, когда частица света высокой энергии, или «фотон», отскакивает от заряженной частицы, обычно электрона. Это взаимодействие заставляет фотоны, ударяющиеся о электроны, «рассеиваться», то есть передавать часть своей энергии и импульса частицам, с которыми они только что столкнулись. В свою очередь, эти электроны могут отскочить и, по существу, оторваться от атома, к которому они ранее были прикреплены.

Этот процесс может помочь узнать что-то об атоме, в котором он задействован. «Исследовательская группа продемонстрировала, что эта камера Комптона служит эффективным поляриметром для ядерной спектроскопии, раскрывая понимание структуры ядра», — рассказал Space.com Тадаюки Такахаси, руководитель исследователя из Института физики и математики Вселенной Кавли. «Изначально разработанный для космических наблюдений, этот инструмент теперь доказал свою ценность в качестве инструмента для решения сложных научных вопросов и в других областях».

Сердце атома

Вы можете думать об атомах как о состоящих из «оболочек». Каждая оболочка заполнена различными порциями отрицательно заряженных электронов, «жужжащих» вокруг; самая внешняя оболочка известна как валентная оболочка, а электроны внутри валентной оболочки называются валентными электронами. Эти атомные оболочки окружают центральное ядро, состоящее из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов.

Число протонов в атомном ядре определяет, какой элемент представляет этот атом. Например, водород — самый легкий элемент во Вселенной, и в его атомном ядре всегда есть один протон. На другом конце таблицы Менделеева находится уран, один из самых тяжелых природных элементов, в ядре которого всегда находится 92 протона.

Число нейтронов в ядре не определяет, к какому элементу относится атом, поэтому оно может варьироваться. Например, водород может не иметь нейтронов: один нейтрон в случае дейтерия или два нейтрона в случае трития. Однако эти атомы разного веса называются «изотопами». Некоторые изотопы стабильны, другие — нет.

Хотя известно, что в природе существует 270 стабильных атомных ядер, число известных изотопов элементов возрастает до 3000, если принять во внимание нестабильные атомные ядра. Интересно, что ученые также недавно наблюдали явления, связанные с нестабильными атомными ядрами, которые не наблюдаются вокруг стабильных.

К ним относятся аномалии энергетических уровней электронов, а также исчезновение и появление так называемых «магических чисел». Магические числа относятся к количеству электронов, которое потребуется для заполнения оболочек энергетических уровней вокруг атомного ядра. Условно это числа 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126. Однако до сих пор традиционные методы недостаточны для исследования изменений в ядерной структуре, связанных с этими явлениями. Это связано с трудностью балансировки чувствительности и эффективности обнаружения приборов, анализирующих характеристики переходов атомов. Вот важная часть расследования команды.

Нестабильное атомное ядро будет пытаться достичь стабильности, выбрасывая протон или нейтрон. Это известно как радиоактивный распад, и это процесс, который уносит энергию от атома в виде фотонов. Гамма-лучи — это разновидность фотона, и камера Комптона может обнаружить эти гамма-лучи! Возможно, понимание перехода между нестабильностью и стабильностью поможет расшифровать некоторые из тех странных атомных явлений, которые наблюдали учёные.

Итак, эти исследователи полагали, что камера Комптона, которая включает в себя так называемый полупроводниковый датчик изображения из теллурида кадмия (CdTe), может быть идеальной для измерения поляризации гамма-лучей нестабильных ядер. Опять же, это связано с тем, что такой датчик обеспечивает высокую эффективность обнаружения и точную точность при определении положения гамма-лучей (хотя изначально он предназначался для сигналов гамма-излучения из дальнего космоса).

Поляризация фотонов заряженных частиц превращает неполяризованный свет в поляризованный, причем ориентация поляризации возникает за счет угла рассеяния. Камера Комптона может точно измерить этот угол рассеяния и поляризацию этих гамма-лучей, что указывает на свойства частиц внутри атома, такие как значение квантово-механических характеристик, называемых «спин» и «четность».

Ученые использовали эксперименты на ускорителе в исследовательском институте RIKEN для выполнения серии тестов ядерной спектроскопии, которые включали взрыв пленки ядер железа пучком протонов. Это заставило электроны в тонкой железной пленке перейти в возбужденное состояние и испустить гамма-лучи, вернувшись в основное состояние.

Команда искусственно контролировала положение и интенсивность этих выбросов. Это позволило провести детальный анализ событий рассеяния и осуществить высокочувствительное измерение поляризации для проверки возможностей камеры Комптона. «Многослойная камера Комптона CdTe обладает рядом характеристик, которые делают ее хорошо подходящей для этого исследования. Во-первых, это эффективность обнаружения CdTe», — сказал Такахаши.

«Обычно гамма-лучи, испускаемые ядрами, имеют энергию порядка мегаэлектронвольта (МэВ), при этом эффективность обнаружения поляриметрами гамма-излучения имеет тенденцию быть низкой. Однако 20 слоев CdTe значительно повышают эффективность обнаружения этих гамма излучение.» Ученый из Института физики и математики Вселенной Кавли добавил, что датчик CdTe, разработанный его группой, также обеспечивает высокое энергетическое разрешение для субмеВных гамма-лучей.

«Наконец, он достигает нескольких миллиметров позиционного разрешения в пределах эффективной площади детектора, что позволяет ему «видеть» подробные картины комптоновского рассеяния», — добавил Такахаши. «Эти узоры отражают характеристики линейной поляризации света, включая гамма-лучи».

Испускаемые гамма-лучи были измерены, выявили пиковую структуру, и команда смогла определить угол, под которым рассеивались фотоны. Команда ожидала, что их результаты могут иметь решающее значение для изучения структуры редких радиоактивных ядер, но даже ведущий исследователь был удивлен тем, насколько успешным оказался этот тест.

«Исследовательская группа, состоящая из экспертов в области астрономических наблюдений и ядерной физики, в некоторой степени ожидала, что гамма-поляриметрия будет пригодна для экспериментов по ядерной гамма-спектроскопии», — сказал Такахаши. «Однако производительность и результаты превзошли ожидания».

Эти эксперименты могут стать верхушкой айсберга, когда дело дойдет до использования космических инструментов для исследования атомных ядер. «В астрономических наблюдениях существуют различные типы комптоновских камер, и их можно аналогичным образом использовать для измерения линейной поляризации фотонов», — заключил Такахаши.