Позитрон или антиэлектрон — это частица с электрическим зарядом +1 e , спином 1/2 (такой же, как у электрона) и той же массой , что и электрон . Это античастица ( аналог антиматерии ) электрона . Когда позитрон сталкивается с электроном, происходит аннигиляция . Если это столкновение происходит при низких энергиях, оно приводит к образованию двух или более фотонов .
Позитроны могут создаваться в результате радиоактивного распада позитронов (через слабые взаимодействия ) или в результате образования пар из достаточно энергичного фотона , который взаимодействует с атомом в материале.
В 1928 году Поль Дирак опубликовал работу, в которой предположил, что электроны могут иметь как положительный, так и отрицательный заряд. [5] В этой статье было представлено уравнение Дирака , объединяющее квантовую механику, специальную теорию относительности и новую на тот момент концепцию спина электрона для объяснения эффекта Зеемана . В статье не предсказывалось явно появление новой частицы, но допускались электроны, имеющие либо положительную, либо отрицательную энергию в качестве решений . Затем Герман Вейль опубликовал статью, в которой обсуждались математические последствия решения проблемы отрицательной энергии. [6] Решение с положительной энергией объяснило экспериментальные результаты, но Дирак был озадачен столь же достоверным решением с отрицательной энергией, которое допускала математическая модель. Квантовая механика не позволяла просто игнорировать решение с отрицательной энергией, как это часто делала классическая механика в таких уравнениях; двойное решение подразумевало возможность спонтанного перехода электрона между состояниями положительной и отрицательной энергии. Однако экспериментально такой переход пока не наблюдался. [5]
В декабре 1929 года Дирак написал следующую статью [7] , в которой попытался объяснить неизбежное решение с отрицательной энергией для релятивистского электрона. Он утверждал, что «...электрон с отрицательной энергией движется во внешнем [электромагнитном] поле так, как будто он несет положительный заряд». Он также утверждал, что все пространство можно рассматривать как «море» состояний с отрицательной энергией , которые были заполнены, чтобы предотвратить перепрыгивание электронов между состояниями с положительной энергией (отрицательный электрический заряд) и состояниями с отрицательной энергией (положительный заряд). В статье также исследуется возможность того, что протон является островом в этом море и что на самом деле это может быть электрон с отрицательной энергией. Дирак признал, что протон, имеющий гораздо большую массу, чем электрон, представляет собой проблему, но выразил «надежду», что будущая теория решит эту проблему. [7]
Роберт Оппенгеймер решительно выступал против того, чтобы протон был электроном с отрицательной энергией, являющимся решением уравнения Дирака. Он утверждал, что если бы это было так, атом водорода быстро самоуничтожился бы. [8] Вейль в 1931 году показал, что электрон с отрицательной энергией должен иметь ту же массу, что и электрон с положительной энергией. [9] Убежденный аргументами Оппенгеймера и Вейля, Дирак в 1931 году опубликовал статью, в которой предсказал существование еще не наблюдаемой частицы, которую он назвал «антиэлектроном», которая имела бы ту же массу и противоположный заряд, что и электрон. и они взаимно аннигилируют при контакте с электроном. [10]
Ричард Фейнман и ранее Эрнст Штюкельберг предложили интерпретацию позитрона как электрона, движущегося назад во времени, [11] переосмысливая решения уравнения Дирака с отрицательной энергией. Электроны, движущиеся назад во времени, будут иметь положительный электрический заряд . Джон Арчибальд Уиллер использовал эту концепцию, чтобы объяснить идентичные свойства, присущие всем электронам, предполагая, что «все они представляют собой один и тот же электрон» со сложной самопересекающейся мировой линией . [12] Йоитиро Намбу позже применил это ко всему образованию и уничтожению пар частица-античастица, заявив, что «возможное создание и уничтожение пар, которое может происходить время от времени, не является созданием или уничтожением, а всего лишь изменением направления движущихся частиц». , из прошлого в будущее или из будущего в прошлое». [13] Обратная во времени точка зрения сегодня принимается как полностью эквивалентная другим картинам, но она не имеет ничего общего с макроскопическими терминами «причина» и «следствие», которые не появляются в микроскопическом физическом описании. [ нужна цитата ]
Некоторые источники утверждают, что Дмитрий Скобельцын впервые наблюдал позитрон задолго до 1930 года, [14] или даже уже в 1923 году. [15] Они утверждают, что, используя камеру Вильсона [16] для изучения эффекта Комптона , Скобельцын обнаружил частиц, которые действовали как электроны, но изгибались в противоположном направлении в приложенном магнитном поле, и что он представил фотографии этого явления на конференции в Кембриджском университете 23–27 июля 1928 года. В своей книге [17] по истории Что касается открытия позитрона в 1963 году, Норвуд Рассел Хэнсон подробно изложил причины этого утверждения, и это, возможно, послужило источником мифа. Но и возражение Скобельцына на это он изложил в приложении. [18] Позже Скобельцын еще решительнее отверг это утверждение, назвав его «не чем иным, как полнейшей чепухой». [19]
Скобельцын действительно проложил путь к окончательному открытию позитрона двумя важными вкладами: добавлением магнитного поля в свою камеру Вильсона (в 1925 году [20] ) и открытием космических лучей с заряженными частицами [21] , за что ему приписывают работу в Нобелевская лекция Карла Дэвида Андерсона . [22] Скобельцын действительно заметил вероятные следы позитронов на изображениях, сделанных в 1931 году, [23] но в то время не идентифицировал их как таковые.
Аналогичным образом, в 1929 году Чунг-Яо Чао , китайский аспирант Калифорнийского технологического института , заметил некоторые аномальные результаты, которые указывали на то, что частицы ведут себя как электроны, но с положительным зарядом, хотя результаты были неубедительными, и это явление не изучалось. [24] Пятьдесят лет спустя Андерсон признал, что его открытие было вдохновлено работой его одноклассника из Калифорнийского технологического института Чунг-Яо Чао , чьи исследования легли в основу, на которой развилась большая часть работ Андерсона, но в то время не были отмечены. [25]
Андерсон открыл позитрон 2 августа 1932 года [26] , за что получил Нобелевскую премию по физике в 1936 году. [27] Андерсон не придумал термин «позитрон» , но разрешил его по предложению редактора журнала Physical Review , которому он представил свою статью об открытии в конце 1932 года. Позитрон был первым свидетельством существования антиматерии и был открыт, когда Андерсон позволил космическим лучам проходить через камеру Вильсона и свинцовую пластину. Магнит окружал это устройство, заставляя частицы изгибаться в разных направлениях в зависимости от их электрического заряда. Ионный след, оставленный каждым позитроном, появлялся на фотопластине с кривизной, соответствующей отношению массы к заряду электрона, но в направлении, которое указывало на то, что его заряд был положительным. [28]
Оглядываясь назад, Андерсон написал, что позитрон мог быть открыт раньше на основе работы Чун-Яо Чао, если бы за ней следили. [24] Когда были опубликованы результаты Андерсона, у Фредерика и Ирен Жолио-Кюри в Париже были доказательства присутствия позитронов на старых фотографиях, но они отвергли их как протоны. [28]
Позитрон также был одновременно открыт Патриком Блэкеттом и Джузеппе Оккиалини в Кавендишской лаборатории в 1932 году. Блэкетт и Оккиалини отложили публикацию, чтобы получить более убедительные доказательства, поэтому Андерсон смог опубликовать свое открытие первым. [29]
Позитроны образуются вместе с нейтрино естественным путем при β + -распадах встречающихся в природе радиоактивных изотопов (например, калия-40 ) и при взаимодействии гамма-квантов (испускаемых радиоактивными ядрами) с веществом. Антинейтрино — это еще один вид античастиц, образующихся в результате естественной радиоактивности (β - распад). Многие различные виды античастиц также производятся космическими лучами (и содержатся в них) . В исследовании, опубликованном в 2011 году Американским астрономическим обществом , были обнаружены позитроны, возникающие над грозовыми облаками; Позитроны производятся в результате вспышек гамма-излучения, создаваемых электронами, ускоренными сильными электрическими полями в облаках. [30] С помощью модуля ПАМЕЛА также было обнаружено существование антипротонов в поясах Ван Аллена вокруг Земли . [31] [32]
Античастицы, из которых наиболее распространены антинейтрино и позитроны из-за их малой массы, также рождаются в любой среде с достаточно высокой температурой (средняя энергия частиц превышает порог образования пар ). В период бариогенеза , когда Вселенная была чрезвычайно горячей и плотной, материя и антиматерия постоянно создавались и уничтожались. Наличие оставшейся материи и отсутствие обнаруживаемой оставшейся антиматерии, [33] также называемая барионной асимметрией , объясняется CP-нарушением : нарушением CP-симметрии, связывающей материю с антиматерией. Точный механизм этого нарушения в ходе бариогенеза остается загадкой. [34]
Производство позитронов из радиоактивных
β+
распад можно считать как искусственным, так и естественным производством, поскольку образование радиоизотопа может быть естественным или искусственным. Пожалуй, самым известным природным радиоизотопом, производящим позитроны, является калий-40, долгоживущий изотоп калия, который встречается как первичный изотоп калия. Несмотря на то, что это небольшой процент калия (0,0117%), это самый распространенный радиоизотоп в организме человека. В человеческом теле массой 70 кг (150 фунтов) в секунду распадается около 4400 ядер с температурой 40 К. [35] Активность природного калия составляет 31 Бк /г. [36] Около 0,001% этих распадов при 40 К производят около 4000 естественных позитронов в день в человеческом организме. [37] Эти позитроны вскоре находят электрон, подвергаются аннигиляции и производят пары фотонов с энергией 511 кэВ в процессе, аналогичном (но гораздо меньшей интенсивности) тому, который происходит во время процедуры ПЭТ-сканирования в ядерной медицине . [ нужна цитата ]
Недавние наблюдения показывают, что черные дыры и нейтронные звезды производят огромное количество позитронно-электронной плазмы в астрофизических струях . Большие облака позитронно-электронной плазмы также связаны с нейтронными звездами. [38] [39] [40]
Спутниковые эксперименты обнаружили доказательства присутствия позитронов (а также нескольких антипротонов) в первичных космических лучах, составляющих менее 1% частиц в первичных космических лучах. [41] Однако совсем недавно доля позитронов в космических лучах была измерена с повышенной точностью, особенно на гораздо более высоких энергетических уровнях, и было замечено, что доля позитронов в этих космических лучах более высоких энергий больше. [42]
Похоже, что это не продукты большого количества антиматерии Большого взрыва или даже сложной антиматерии во Вселенной (доказательства этого отсутствуют, см. ниже). Скорее всего, антивещество в космических лучах состоит только из этих двух элементарных частиц. Недавние теории предполагают, что источником таких позитронов может быть аннигиляция частиц темной материи, ускорение позитронов до высоких энергий в астрофизических объектах и образование позитронов высоких энергий при взаимодействии ядер космических лучей с межзвездным газом. [43]
Предварительные результаты действующего в настоящее время альфа-магнитного спектрометра ( AMS-02 ) на борту Международной космической станции показывают, что позитроны в космических лучах прибывают без направленности и с энергиями в диапазоне от 0,5 ГэВ до 500 ГэВ. [44] [45] Пиковая доля позитронов составляет максимум около 16% от общего числа электрон-позитронных событий, около энергии 275 ± 32 ГэВ. При более высоких энергиях, до 500 ГэВ, соотношение позитронов и электронов снова начинает падать. Абсолютный поток позитронов также начинает падать до 500 ГэВ, но достигает максимума при энергиях, намного превышающих энергии электронов, которые достигают максимума около 10 ГэВ. [46] [47] Предполагается, что эти результаты интерпретации связаны с рождением позитронов в событиях аннигиляции массивных частиц темной материи . [48]
Позитроны, как и антипротоны, похоже, не происходят из каких-либо гипотетических областей «антивещества» Вселенной. Напротив, нет никаких свидетельств существования сложных атомных ядер антивещества, таких как ядра антигелия (т.е. анти-альфа-частицы), в космических лучах. Их активно ищут. Прототип AMS -02 , получивший обозначение AMS-01 , был отправлен в космос на борту космического корабля "Дискавери" на STS-91 в июне 1998 года. Не обнаружив никакого антигелия вообще, AMS-01 установил верхний предел 1,1×10 — 6 для отношения потоков антигелия к гелию . [49]
Физики из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии использовали короткий сверхмощный лазер для облучения золотой мишени толщиной в миллиметр и производства более 100 миллиардов позитронов. [50] В настоящее время значительные объемы лабораторного производства позитронно-электронных пучков с энергией 5 МэВ позволяют исследовать множество характеристик, таких как, как различные элементы реагируют на взаимодействия или удары позитронов с энергией 5 МэВ, как энергия передается частицам, а также ударный эффект гамма -всплесков . [51]
В 2023 году в результате сотрудничества ЦЕРН и Оксфордского университета на установке HiRadMat [52] был проведен эксперимент, в котором были созданы пучки электрон-позитронных пар наносекундной длительности, содержащие более 10 триллионов электрон-позитронных пар, что привело к созданию первого '' парная плазма» в лаборатории с плотностью, достаточной для поддержания коллективного поведения плазмы. [53] Будущие эксперименты откроют возможность изучать физику, относящуюся к экстремальным астрофизическим средам, где генерируются обильные электрон-позитронные пары, такие как гамма-всплески , быстрые радиовсплески и блазарные струи.
Определенные виды экспериментов на ускорителях частиц включают столкновение позитронов и электронов на релятивистских скоростях. Высокая энергия удара и взаимное уничтожение этих противоположностей материи и антиматерии создают фонтан разнообразных субатомных частиц. Физики изучают результаты этих столкновений, чтобы проверить теоретические предсказания и найти новые виды частиц. [ нужна цитата ]
Эксперимент АЛЬФА объединяет позитроны с антипротонами для изучения свойств антиводорода . [54]
Гамма-лучи, испускаемые косвенно излучающим позитроны радионуклидом (индикатором), обнаруживаются с помощью сканеров позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), используемых в больницах. ПЭТ-сканеры создают подробные трехмерные изображения метаболической активности в организме человека. [55]
Экспериментальный инструмент, называемый позитронно-аннигиляционной спектроскопией (PAS), используется в исследовании материалов для обнаружения изменений плотности, дефектов, смещений или даже пустот внутри твердого материала. [56]
Ученые LLNL создали позитроны, выстрелив мощным лазером Титана в кусок золота толщиной в один миллиметр.