Η κάμψη ακτίνων γάμμα ανοίγει νέα πόρτα για οπτικά
Οι φακοί είναι μέρος της καθημερινής ζωής—μας βοηθούν να εστιάσουμε τις λέξεις σε μια σελίδα, το φως από τα αστέρια και τις πιο μικροσκοπικές λεπτομέρειες των μικροοργανισμών. Αλλά η κατασκευή ενός φακού για εξαιρετικά ενεργητικό φως γνωστού ως ακτίνες γάμμα θεωρήθηκε αδύνατη. Τώρα, οι φυσικοί έχουν δημιουργήσει έναν τέτοιο φακό και πιστεύουν ότι θα ανοίξει ένα νέο πεδίο οπτικών ακτίνων γάμμα για ιατρική απεικόνιση, ανίχνευση παράνομου πυρηνικού υλικού και απαλλαγή από πυρηνικά απόβλητα.
Το γυαλί είναι το υλικό επιλογής για τους συμβατικούς φακούς και όπως άλλα υλικά, περιέχει άτομα που περιφέρονται από ηλεκτρόνια. Σε ένα αδιαφανές υλικό, αυτά τα ηλεκτρόνια απορροφούν ή αντανακλούν το φως. Αλλά στο γυαλί, τα ηλεκτρόνια ανταποκρίνονται στο εισερχόμενο φως κουνώντας το, ωθώντας το φως σε διαφορετική κατεύθυνση. Οι φυσικοί περιγράφουν την ποσότητα κάμψης ως τον «δείκτη διάθλασης» του γυαλιού:Ένας δείκτης διάθλασης ίσος με ένα έχει ως αποτέλεσμα τη μη κάμψη, ενώ οτιδήποτε περισσότερο ή λιγότερο οδηγεί σε κάμψη με τον ένα ή τον άλλο τρόπο.
Η διάθλαση λειτουργεί καλά με το ορατό φως, ένα μικρό μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, επειδή τα κύματα φωτός έχουν μια συχνότητα που συμβαδίζει καλά με τις ταλαντώσεις των ηλεκτρονίων που βρίσκονται σε τροχιά. Αλλά για την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία υψηλότερης ενέργειας - υπεριώδη και πέραν αυτής - οι συχνότητες είναι πολύ υψηλές για να ανταποκριθούν τα ηλεκτρόνια και οι φακοί γίνονται όλο και λιγότερο αποτελεσματικοί. Μόνο προς τα τέλη του περασμένου αιώνα οι φυσικοί ανακάλυψαν ότι μπορούσαν να δημιουργήσουν φακούς για ακτίνες Χ, το τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος ακριβώς πέρα από το υπεριώδες, στοιβάζοντας μαζί πολυάριθμα στρώματα υλικού με σχέδια. Τέτοιοι φακοί άνοιξαν το πεδίο των οπτικών ακτίνων Χ που, με τα μικρά μήκη κύματος των ακτίνων Χ, επέτρεψαν την απεικόνιση σε ανάλυση νανοκλίμακα.
Εκεί θα έπρεπε να είχε τελειώσει η ιστορία. Η θεωρία λέει ότι οι ακτίνες γάμμα, που είναι ακόμη πιο ενεργητικές από τις ακτίνες Χ, θα πρέπει να παρακάμπτουν εντελώς τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται σε τροχιά. τα υλικά δεν πρέπει να τα λυγίζουν καθόλου και ο δείκτης διάθλασης για τις ακτίνες γάμμα πρέπει να είναι σχεδόν ίσος με ένα. Ωστόσο, αυτό δεν είναι αυτό που ανακάλυψε μια ομάδα φυσικών με επικεφαλής τον Dietrich Habs στο Πανεπιστήμιο Ludwig Maximilian του Μονάχου στη Γερμανία και τον Michael Jentschel στο Institut Laue-Langevin (ILL) στη Γκρενόμπλ της Γαλλίας.
Το ILL είναι ένας ερευνητικός αντιδραστήρας που παράγει έντονες δέσμες νετρονίων. Ο Habs, ο Jentschel και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν μία από τις ακτίνες του για να βομβαρδίσουν δείγματα ραδιενεργού χλωρίου και γαδολίνιου για να παράγουν ακτίνες γάμμα. Τα κατεύθυναν κάτω από έναν σωλήνα μήκους 20 μέτρων σε μια συσκευή γνωστή ως φασματόμετρο κρυστάλλου, το οποίο διοχέτευσε τις ακτίνες γάμμα σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Στη συνέχεια πέρασαν τις μισές ακτίνες γάμμα μέσα από ένα πρίσμα πυριτίου και σε άλλο φασματόμετρο για να μετρήσουν την τελική τους κατεύθυνση, ενώ κατεύθυναν τις άλλες μισές κατευθείαν στο φασματόμετρο ανεμπόδιστα. Προς έκπληξη των ερευνητών, όπως αναφέρουν σε μια εργασία που πρόκειται να δημοσιευθεί αυτόν τον μήνα στο Physical Review Letters , οι ακτίνες γάμμα με ενέργεια πάνω από 700 kiloelectrovolt κάμπτονται ελαφρά από το πρίσμα του πυριτίου.
«Όλα είχαν προβλεφθεί λανθασμένα», εξηγεί ο Habs. "Αλλά είπαμε, [η διάθλαση] φαίνεται τόσο θαυμάσια για τις ακτίνες Χ, γιατί δεν κοιτάμε αν υπάρχει κάτι; Και ξαφνικά διαπιστώσαμε ότι υπάρχει ένα εντελώς απροσδόκητο αποτέλεσμα."
Τι οδηγεί λοιπόν αυτό το νέο εφέ κάμψης; Αν και δεν μπορεί να είναι σίγουρος, ο Habs πιστεύει ότι βρίσκεται στους πυρήνες στην καρδιά των ατόμων του πυριτίου. Αν και τα ηλεκτρόνια δεν κατοικούν κανονικά στους πυρήνες λόγω των πολύ ισχυρών ηλεκτρικών πεδίων εκεί, η κβαντομηχανική επιτρέπει σε ζεύγη «εικονικών» ηλεκτρονίων και αντιηλεκτρονίων, ή ποζιτρονίων, να αναβοσβήνουν για λίγο στην ύπαρξη και στη συνέχεια να ανασυνδυαστούν και να εξαφανιστούν ξανά. Ο Habs πιστεύει ότι ο τεράστιος αριθμός αυτών των εικονικών ζευγών ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων ενισχύει τη σκέδαση των ακτίνων γάμμα, η οποία είναι συνήθως αμελητέα, σε ανιχνεύσιμη ποσότητα.
Η κάμψη στο πείραμα της ομάδας του δεν είναι μεγάλη - περίπου το ένα εκατομμυριοστό της μοίρας, που αντιστοιχεί σε δείκτη διάθλασης περίπου 1,000000001. Ωστόσο, θα μπορούσε να ενισχυθεί χρησιμοποιώντας φακούς κατασκευασμένους από υλικά με μεγαλύτερους πυρήνες όπως ο χρυσός, που θα πρέπει να περιέχουν περισσότερα εικονικά ζεύγη ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων. Με κάποια βελτίωση, οι φακοί ακτίνων γάμμα θα μπορούσαν να κατασκευαστούν για να εστιάζουν δέσμες συγκεκριμένης ενέργειας.
Τέτοιες εστιασμένες δέσμες θα μπορούσαν να ανιχνεύσουν ραδιενεργό υλικό κατασκευής βομβών ή ραδιενεργούς ιχνηθέτες που χρησιμοποιούνται στην ιατρική απεικόνιση. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι δέσμες θα διασκορπίζονταν μόνο από ορισμένα ραδιοϊσότοπα και θα περνούσαν από άλλα ανεμπόδιστα. Οι δέσμες θα μπορούσαν ακόμη και να δημιουργήσουν νέα ισότοπα συνολικά, «εξατμίζοντας» πρωτόνια ή νετρόνια από υπάρχοντα δείγματα. Αυτή η διαδικασία θα μπορούσε να μετατρέψει τα επιβλαβή πυρηνικά απόβλητα σε ένα αβλαβές, μη ραδιενεργό υποπροϊόν.
«Είναι υπέροχο να βλέπουμε ότι η πρόοδος που έχει κάνει η οπτική ακτίνων Χ… τα τελευταία 20 χρόνια μπορεί τώρα να κινείται ακόμη και στην περιοχή [ακτίνων γάμμα]», λέει ο Gerhard Materlik, διευθύνων σύμβουλος της Diamond Light Source, ένας Χ- εγκατάσταση ακτίνων στο Didcot, U.K. "Ελπίζω ότι οι προβλέψεις που έγιναν από τους συγγραφείς σχετικά με πιθανές οπτικές ακτίνες γάμμα μπορούν να πραγματοποιηθούν για να τις μετατρέψουν σε πραγματικά οπτικά στοιχεία."
