Mogłoby się wydawać, że człowiek jest doskonałym obserwatorem swojego otoczenia. Dzięki swoim zmysłom może obserwować wszystko, co się wokół niego dzieje. Oczywiście to tylko złudzenie, bowiem ewolucja wyposażyła nas jedynie w możliwość obserwowania tych aspektów rzeczywistości, które są nam niezbędne do przeżycia. Poza nimi jednak istnieje jeszcze cały wszechświat rzeczy, obiektów i procesów, które pozostają całkowicie poza naszym zasięgiem.
Jesteśmy przyzwyczajeni do operowania na powierzchni Ziemi w odpowiedniej skali. Nasze umysły jednak całkowicie gubią się zarówno podczas badania wszechświata w wielkiej skali kosmicznej, jak i w mikroskopijnej skali cząsteczek, atomów i cząstek subatomowych. Dzięki jednak inwencji pokoleń naukowców posiadamy obecnie instrumenty zdolne obserwować świat praktycznie w każdej skali. Często zapominamy jednak, że świat cząstek subatomowych to wciąż ten sam świat, co świat planet, gwiazd i galaktyk. Doskonale jednak przypomina nam o tym jeden z najnowszych instrumentów naukowych, który miał jednać jedno z ekstremów rzeczywistości, a okazał się doskonały do badania czegoś z przeciwnego końca rzeczywistości.
Czytaj także: Wieloletni rekord pobity. Wyjątkowy wynik pomiarów spinu wiązki elektronów
Takim instrumentem jest właśnie kamera Comptona, która została stworzona przez zespół naukowców, jako komponent misji kosmicznej Hitomi, który miał badać z przestrzeni kosmicznej promieniowanie gamma emitowane przez odległe galaktyki we wszechświecie. Tak się jednak stało, że pomimo niewątpliwych zdolności do badania odległego wszechświata, owa kamera wprost idealnie nadaje się do badania… wnętrza atomu. Można powiedzieć, że instrument ten zamienił pracę wśród galaktyk, na pracę wśród elektronów, protonów i neutronów. Jak to w ogóle możliwe?
Co do zasady kamera Comptona jest w stanie mierzyć polaryzację wysokoenergetycznego promieniowania elektromagnetycznego, czyli jest w stanie ustalić orientację fal elektromagnetycznych emitowanych przez dane źródło. Unikalny sensor zainstalowany na pokładzie urządzenia okazał się jednak w testach tak precyzyjny, że naukowcy wykorzystali go do ustalania polaryzacji promieni gamma emitowanych przez pojedyncze jądro atomowe, dzięki czemu byli w stanie uzyskać zupełnie nowe informacje o jego wnętrzu i zachodzących w nim zmianach.
Wyobraźmy sobie, że mamy wysokoenergetyczny foton, który odbija się od elektronu. W tym momencie dochodzi do przekazania części energii fotonu do elektronu i wybicia go z atomu, oraz do swoistego odbicia fotonu w innym kierunku. Dochodzi zatem do tzw. rozpraszania komptonowskiego, które dotyczy zasadniczo najbardziej energetycznych fotonów, czyli rentgenowskich i gamma. W momencie takiego zderzenia dochodzi zatem do zwiększenia długości fali rozproszonego fotonu, które zależy bezpośrednio od kąta rozproszenia fotonu.
Jak wiadomo z lekcji chemii, atom składa się z elektronów oraz jądra atomowego, które z kolei składa się z protonów i neutronów. Liczba protonów w atomie określa, z jakim pierwiastkiem mamy do czynienia. Liczba neutronów, która w danym pierwiastku może być różna, określa z kolei, z którym izotopem mamy do czynienia.
Szacuje się, że w naturze występuje kilka tysięcy izotopów wszystkich pierwiastków. Zastrzec jednak trzeba, że część izotopów jest stabilna, a część jest niestabilna i w dłuższym lub krótszym czasie ulega rozpadowi promieniotwórczemu, tj. wyrzuca neutron lub proton, aby osiągnąć formę stabilną. W każdej takiej sytuacji, zmianie tej towarzyszy emisja fotonów, w tym także fotonów promieniowania gamma.
Mimo rozwoju nauki, naukowcy wciąż odkrywają nowe procesy zachodzące w niestabilnych jądrach atomowych. Problem w tym, że większość instrumentów służących do ich badania nie ma wystarczającej czułości i wciąż wiele z nich nam umyka.
Tutaj właśnie z pomocą przychodzi kamera Comptona. Skoro podczas rozpadu radioaktywnego jądro atomowe emituje fotony promieniowania gamma, to kamera Comptona wyposażona w niezwykle czuły sensor zbudowany z tellurku kadmu jest w stanie je wykryć i zmierzyć ich polaryzację. Ewidentnie kamerze wszystko jedno, czy fotony gamma pochodzą z odległych galaktyk, czy też z pojedynczych jąder atomowych tutaj na Ziemi. W obu przypadkach jest ona w stanie skutecznie wykrywać wszelkie fotony i precyzyjnie badań orientację tychże fotonów.
Informacje o polaryzacji promieni gamma oraz o kącie rozproszenia mogą naukowcom powiedzieć bardzo wiele o tym, co się dzieje we wnętrzu badanego atomu, czego wcześniej nie mieliśmy sposobu ustalić.
Testy przeprowadzone w instytucie badawczym RIKEN wykazały, że czujnik promieniowania gamma osiąga rewelacyjną rozdzielczość pozycyjną, dzięki czemu naukowcy po raz pierwszy są w stanie przyjrzeć się wszystkim wzorom rozpraszania komptonowskiego.
Wyniki testów były zaskoczeniem dla naukowców. Owszem, badacze spodziewali się, że uda się zmierzyć polaryzację promieni gamma w badaniach jądrowych. Nikt jednak nie spodziewał się aż tak dobrych i precyzyjnych wyników.
Możliwe zatem, że to dopiero początek nowej ery. Jakby nie patrzeć na przestrzeni lat i dekad powstało wiele instrumentów do badania obiektów odległego wszechświata. Możliwe zatem, że część z nich nie rozróżnia skali i równie precyzyjnie jest w stanie zajrzeć do wnętrza atomów. Może się zatem okazać, że mamy już instrumenty, które po przestawieniu na inną skalę otworzą przed nami wrota do poznania tego, co we wszechświecie najmniejsze. Mocy przybywaj!
