Тандемный ускоритель RIKEN (Пеллетрон) и лучевые линии.

Ядро состоит из протонов и нейтронов. В природе существует около 270 стабильных ядер, но это число возрастает до 3000, если включить нестабильные ядра. Недавние исследования нестабильных ядер выявили явления, не наблюдаемые в стабильных ядрах, включая аномалии энергетических уровней , исчезновение магических чисел и появление новых магических чисел.

Для изучения этих структурных изменений важно определить квантовые состояния, внутреннюю энергию, спин и четность состояния. Обычные методы были ограничены сложностью балансировки чувствительности и эффективности обнаружения при анализе электромагнитных характеристик переходов.

Теперь исследователи использовали свою многослойную полупроводниковую камеру Комптона для регистрации поляризации гамма-лучей, испускаемых атомными ядрами. Это раскрывает внутреннюю структуру атомных ядер.

Этот метод значительно снижает неопределенности в определении спина и четности квантовых состояний в редких атомных ядрах, позволяя фиксировать преобразования в структуре ядра.

Камера Комптона CdTe (слева) и 20 слоев внутри (справа).

Камера Комптона включает в себя полупроводниковый датчик изображения из теллурида кадмия (CdTe), который изначально был разработан для астрономических наблюдений. Он обладает высокой эффективностью обнаружения и точностью определения положения. Исследовательская группа использовала эту камеру в экспериментах по ядерной спектроскопии с искусственным контролем положения и интенсивности излучения гамма-лучей от мишени, что позволило провести подробный анализ событий рассеяния и реализовать высокочувствительное измерение поляризации.

Исследователи извлекли выгоду из точности позиционирования датчика изображения пиксельного типа и использовали эксперименты с ускорителем RIKEN Pelletron для оценки производительности камеры. Пучки протонов направлялись на мишень из тонкой железной пленки, создавая первое возбужденное состояние ядер 56Fe. Испускаемые гамма-лучи были измерены и выявили пиковую структуру.

Команде удалось извлечь распределение угла азимута рассеяния. Удивительно высокая чувствительность к улавливанию поляризации гамма-лучей была достигнута при надежной эффективности обнаружения. Эта производительность имеет решающее значение для исследования структуры редких радиоактивных ядер.

Спектр гамма-излучения, полученный в настоящей работе.

Распределение углов рассеяния (справа) поляризованных гамма-лучей, снятое многослойной камерой Комптона (слева). Черные точки показывают распределение, а красная линия показывает кривую модуляции.

Это исследование может проложить путь к более глубокому пониманию фундаментальных принципов, лежащих в основе формирования Вселенной, и характеристик материи, включая процесс распада магических чисел в экзотических нестабильных ядрах.

В состав исследовательской группы входили профессор Института физики и математики Вселенной Кавли (WPI-Kavli IPMU) Тадаюки Такахаши и аспирант (на момент исследования) Ютака Цузуки, а также исследователи Кластера новаторских исследований RIKEN Лаборатории ядерной спектроскопии Уэно Синтаро Го. и Хидеки Уэно, Центр ускорительной науки RIKEN Nishina, Лаборатория космического излучения Хироки Йонеда, доцент Университета Кюсю Юичи Итикава и доцент Токийского городского университета Тацуки Нисимура.