Rieth József: Anyagvilág -Háttérismeret

Gamma sugárzás

Tartalomjegyzékhez Világképem <  (Kvark-..., Hadron-..., Sugárzás-időszak)     

 

A gamma-sugárzás nagyfrekvenciájú elektromágneses hullámokból (1019 Hz, 30-50 keV felett, illetve 20-30 pikométer hullámhossz alatt) álló sugárzás, mely a gerjesztett atommagok alacsonyabban fekvő állapotba történő átmenetekor, az úgynevezett gamma-bomláskor is keletkezik. Ez a bomlás sok esetben kíséri az alfa- és béta-bomlást, valamint a magreakciókat.

Jelentkezik egy bizonyos átfedés a röntgen- és a gamma-sugarak között: a röntgensugarak egészen a 60-80 keV-os tartományig terjedhetnek.

A gamma-sugarak (mint minden más ionizáló sugárzás) előidézhetnek égési sebeket, rákot és genetikai mutációkat.

A gamma-sugarak elleni védekezés nagy atomtömegű és sűrűségű elemekkel a leghatásosabb. Erre a célra általában az ólmot használják. De például a reaktorok aktív zónáját több méter vastag nehézbeton fallal veszik körül, ami egy magas kristályvíz tartalmú, nehézfémmel, például báriummal (barit) adalékolt beton. Minél nagyobb energiájú a gamma-sugárzás, annál vastagabb réteg szükséges a védekezéshez.

A gamma-sugárzás három módon lép kölcsönhatásba az anyaggal:

Fotoeffektus (fényelektromos hatás) – egy atom elektronhéja elnyeli a fotont. E foton energiája teljesen egy elektron energiájává alakul át, amely gerjesztett állapotba kerül vagy elhagyja az atomot.

Compton-szórás a foton rugalmatlan szóródása egy szabad, illetve gyengén kötött elektronon. Ez esetben a foton energiájának csak egy részét adja át az elektronnak.

párképződés – elektron-pozitron pár képződhet, ha a foton energiája meghaladja az 1,02 MeV-ot (az elektron – pozitronpár nyugalmi tömege)

Alkalmazása

sterilizálás

terápia – rákos daganatok eltávolítása

radiológia – radioaktív izotópok nyomon követése a szervezetben

gamma-radiográfia – roncsolásmentes anyagvizsgálat, átvilágítás, hibakeresés

elemanalízis – karakterisztikus gammafotonok segítségével (például aktivációs analízis és pgga)

----------------------------------------------

Kelemen János: EGZOTIKUS GAMMA-SUGARAK

2014 márciusában nagy figyelmet keltett egy bejelentés, amely a NASA Fermi gamma-sugarakat megfigyelő műholdjának a saját Tejútrendszerünk centrumvidékére vonatkozó méréseit ismertette.

A Tejútrendszer centrumának közelmúltbeli, gammasugártartományban végzett vizsgálata az eddigi legfigyelemreméltóbb jele annak, hogy a sugárzás a kozmoszt kitöltő, titokzatos sötét anyagból származik.

Fermi űrteleszkóp

A NASA Fermi nevű gammasugármegfigyelő űrteleszkópjának adatait elemezve a Fermilab (Fermi Nemzeti Gyorsító Laboratórium, USA) a Cf A (Harvard- Smithsonian Center for Astrophysics, USA), az MIT (Massa-chusetts Institute of Technology, USA), valamint a Chicago Egyetem kutatói elkészítették Tejútrendszerünk centrális vidékének legújabb térképét. Az egyértelműen azt mutatja, hogy a galaktikus centrum sokkal több nagy energiájú gamma-sugarat bocsát ki annál, amit ismert forrásokkal meg lehetne magyarázni.

A többletsugárzást az első magyarázatok szerint leginkább a régóta keresett sötét anyag bizonyos fajta kölcsönhatásaiban keletkező gamma-sugaraknak lehet tulajdonítani.

Dan Hooper a bataviai Fermilab asztrofizikusa és a gammasugár-vizsgálatok vezető kutatója szerint a frissen elkészült térképek lehetőséget adnak arra, hogy eldöntsük, vajon az új felfedezést esetleg hagyományos, ismert anyagból álló, de eddig felfedezetlen pulzárok vagy csillagközi gázfelhőkkel ütköző nagyenergiájú kozmikus sugarak termékeinek tulajdonítsuk, vagy pedig elfogadjuk, hogy a titokzatos sötét anyag lehetséges kölcsönhatásának vagyunk szemtanúi.

A Tejútrendszer centrumában hemzsegnek a hagyományos gammasugár-források, vagyis a kölcsönható, szoros kettőscsillag-rendszerek, pulzárok és szupernóva maradványok, továbbá nagyenergájú részecskeütközések a csillagközi anyagban. A csillagászok szerint ugyanitt található a legtöbb és legsűrűbb sötét anyag is. Ez eddigi ismereteink szerint a megszokott, normális anyaggal és sugárzásokkal csupán a gravitáció révén lép kölcsönhatásba. A legújabb galaxiskeletkezési elméletek szerint a sötét anyag sűrűsödései magukhoz vonzzák a normális anyagot, így abból hatalmas, látható objektumok, galaxisok sűrűsödnek össze.

A sötét anyag valódi természetét máig senki nem ismeri, de az egyik sötét-anyag-jelölt a WIMP-részecskék csoportja (WIMP=Weakly Interacting Massive Particles, vagyis gyengén kölcsönható, nagytömegű részecskék). Az elméleti fizikusok sokféle WIMP-részecske modelljét alkották már meg. Például olyanokat, amelyek ütközésükkor annihilálódnak vagy egy gyorsan bomló köztes részecskévé alakulnak. Mindkét esetben gamma-sugarak — vagyis a legnagyobb energiájú elektromágneses sugarak — keletkeznek, és ezeket a Fermi űrteleszkóp nagylátómezejű teleszkópja (LAT) már érzékelni tudja.

Amikor a csillagászok gondosan kiválogatták a Fermi LAT által megfigyelt területen található ismert gamma-sugár pontforrásokat az intenzitástérképről, meglepve vették észre, hogy a centrum irányában egy folt maradt. A sugárzó foltot a legerősebben az 1 és 3 milliárd elektronvolt (GeV) energiájú gamma-sugarak rajzolták ki. Ezeknek a sugaraknak az energiája milliárdszor erősebb a látható fény fotonjainál, és az általuk alkotott sugárzó folt szögkiterjedése alapján a Tejútrendszer centrumában egy 5000 fényév kiterjedésű területet töltenek ki.

A bal oldali képen a Fermi LAT 1 és 3,16 GeV közötti gamma sugár-méréseinek térképe látható,

ahol az ismert gammasugár-források is fel vannak tüntetve. Ezeket a forrásokat a képből levonva

kapjuk a jobb oldali eloszlást, ahol a centrumban megmaradó vörös folt jelöli

a sötét anyag szétsugárzódásakor keletkező gamma-sugár többletét.

Hooper és munkatársai úgy találták, hogy a megfigyelt gammasugár-többlet szimmetrikus eloszlását és intenzitását olyan sötét anyag részecskék szétsugárzásával lehet a legjobban megmagyarázni, amelyek tömege a 31—40 GeV tartományba esik. A megjelentetett cikkükben úgy fogalmaznak, hogy az eddigi, hagyományos magyarázatok eredményei nemigen egyeztethetők össze a felfedezéssel, bár óvatosan azt is megjegyzik, hogy egyéb, elfogadhatónak tűnő magyarázatok nem igénylik a sötét anyag materializálódását.

A sötét anyagot a becsült részecsketömeg tartományban közvetlen detektálással és a Nagy Hadron-ütköztetővel (LHC) már vizsgálni lehetne, tehát ha valóban sötét anyagról volna szó, az a tény, hogy eddig mégsem tudtuk megfigyelni, már sokat elárul a lehetséges kölcsönhatásairól. Mindenesetre a felfedezés nagyon érdekes, és a kérdés nincs végleg lezárva. Lehet, hogy a jövőből visszatekintve egyszer majd az lesz a vélemény, hogy ez volt az első eset, amikor sikerült meglátnunk a sötét anyag annihilációját.

A kutatásban résztvevők felhívják a figyelmet arra, hogy a sötét anyag magyarázatának hitelessé tételéhez még több, megerősítő mérésre van szükség más csillagászati objektumok esetében is. Az LHC-n kívül a világ más gyorsítóiban is folynak vizsgálatok a sötét anyag részecskéinek direkt kimutatására.

Az ismertetett kutatás munkamódszere az volt, hogy egymás után zárták ki a lehetségesnek tűnő magyarázatokat, mígnem az összes, valamiért nem jó lehetőséget elvetve egy dolog maradt, a sötét anyag modell. Tudnunk kell, hogy a Tejútrendszerünk magja rendkívül összetett objektum, és a vizsgálat végérvényes lezárásáig sem elfogadni, sem pedig elvetni nem lehet ezt az érdekes elméletet.

Érdekes jövőbeli lehetőség a Tejútrendszerünk körül keringő törpegalaxisok vizsgálata. Ezekben ugyanis nem látunk hagyományos gammasugár-forrásokat, viszont méreteik miatt igen jelentős mennyiségű sötét anyagot kell tartalmazniuk, tehát bennük kellene keresnünk a legerősebb sötét anyag eredetű gammasugár-forrásokat. Ez a lehetőség azért nehezen megvalósítható, mert a törpegalaxisok a Tejútrendszernél sokkal kisebbek, így sötétanyag-tartalmuk is kisebb. Ugyanakkor viszont sokkal messzebb vannak a saját galaxisunk középpontjánál, ezért a belőlük érkező jóval gyengébb jelek sikeres detektálásához még évekig tartó mérésekre lesz szükség. A becslések szerint 1 a 12-höz annak az esélye, hogy a törpe galaxisokban az egyszerű gammasugár-háttérfluktuációtól eltérő, valódi jelet kapjunk. A hosszú ideig, akár több évig is elhúzódó adatgyűjtés lehetővé teszi, hogy a háttérzajtól elválaszthassuk az igazi jeleket, ugyanakkor arra is lesz időnk, hogy a párhuzamosan folyó nagylátószögű égboltfelmérések révén újabb törpegalaxisokat fedezzünk fel. Ha találunk egy megbízható jelet, az egyúttal azt is alátámasztja majd, hogy a Tejútrendszer centrumában valóban a sötét anyag nyomait láttuk.

Tartalomjegyzékhez Világképem <  Kvark-időszak     

------------------

http://hu.wikipedia.org/wiki/Gamma-sug%C3%A1rz%C3%A1s

Élet és Tudomány ■ 2014/32 ■ 1007