Позитрон или антиэлектрон — это частица с электрическим зарядом +1 e , спином 1/2 (такой же , как у электрона) и такой же массой, как у электрона . Это античастица ( аналог антивещества ) электрона . Когда позитрон сталкивается с электроном, происходит аннигиляция . Если это столкновение происходит при низких энергиях, оно приводит к рождению двух или более фотонов .
Позитроны могут создаваться путем испускания позитронов при радиоактивном распаде (через слабые взаимодействия ) или путем образования пар из достаточно энергичного фотона , который взаимодействует с атомом в материале.
В 1928 году Поль Дирак опубликовал статью, в которой предположил, что электроны могут иметь как положительный, так и отрицательный заряд. [5] В этой статье было введено уравнение Дирака , объединение квантовой механики, специальной теории относительности и новой на тот момент концепции электронного спина для объяснения эффекта Зеемана . Статья явно не предсказывала новую частицу, но допускала наличие у электронов как положительной, так и отрицательной энергии в качестве решений . Затем Герман Вейль опубликовал статью, в которой обсуждались математические последствия решения с отрицательной энергией. [6] Решение с положительной энергией объясняло экспериментальные результаты, но Дирак был озадачен столь же допустимым 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; дуальное решение подразумевало возможность спонтанного перехода электрона между состояниями с положительной и отрицательной энергией. Однако такой переход еще не наблюдался экспериментально. [5]
Дирак написал последующую статью в декабре 1929 года [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, 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 переход электронов между состояниями с положительной энергией (отрицательный электрический заряд) и состояниями с отрицательной энергией (положительный заряд). В статье также исследовалась возможность того, что протон является островом в этом море, и что на самом деле он может быть электроном с отрицательной энергией. Дирак признал, что протон, имеющий гораздо большую массу, чем электрон, является проблемой, но выразил «надежду», что будущая теория разрешит этот вопрос. [7]
Роберт Оппенгеймер решительно возражал против того, чтобы протон был решением уравнения Дирака с отрицательной энергией электрона. Он утверждал, что если бы это было так, атом водорода быстро самоуничтожился бы. [8] В 1931 году Вейль показал, что электрон с отрицательной энергией должен иметь ту же массу, что и электрон с положительной энергией. [9] Убежденный аргументами Оппенгеймера и Вейля, Дирак опубликовал в 1931 году статью, в которой предсказал существование пока еще не наблюдаемой частицы, которую он назвал «антиэлектроном», которая имела бы ту же массу и противоположный заряд, что и электрон, и которая взаимно аннигилировала бы при контакте с электроном. [10]
Ричард Фейнман и ранее Эрнст Штюкельберг предложили интерпретацию позитрона как электрона, движущегося назад во времени, [11] переосмыслив решения уравнения Дирака с отрицательной энергией. Электроны, движущиеся назад во времени, будут иметь положительный электрический заряд . Джон Арчибальд Уилер использовал эту концепцию для объяснения идентичных свойств, общих для всех электронов, предположив, что «все они являются одним и тем же электроном» со сложной, самопересекающейся мировой линией . [12] Ёитиро Намбу позже применил ее ко всему производству и уничтожению пар частица-античастица, заявив, что «окончательное создание и уничтожение пар, которые могут происходить время от времени, не является созданием или уничтожением, а лишь изменением направления движения частиц из прошлого в будущее или из будущего в прошлое». [13] Обратная во времени точка зрения в настоящее время 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. [ необходима цитата ]
Несколько источников утверждают, что Дмитрий Скобельцын впервые наблюдал позитрон задолго до 1930 года [14] или даже еще в 1923 году [15]. Они утверждают, что при использовании камеры Вильсона [16] для изучения эффекта Комптона Скобельцын обнаружил частицы, которые действовали как электроны, но искривлялись 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] об истории открытия позитрона от 1963 года Норвуд Рассел Хэнсон дал подробный отчет о причинах этого утверждения, и это, возможно, было источником мифа. Но он также представил возражение Скобельцына против него в приложении. [18] Позже Скобельцын отверг это утверждение еще более решительно, назвав его «ничем иным, как полной чепухой». [19]
Скобельцын проложил путь к возможному открытию позитрона двумя важными вкладами: добавлением магнитного поля в свою камеру Вильсона (в 1925 году [20] ) и открытием заряженных частиц космических лучей [21] , за что он был упомянут в Нобелевской лекции Карла Дэвида Андерсона [ 22] . Скобельцын наблюдал вероятные треки позитронов на снимках, сделанных в 1931 году [23] , но в то время не идентифицировал их как таковые.
Аналогичным образом, в 1929 году китайский аспирант Калтеха Чун-Яо Чао заметил некоторые аномальные результаты, которые указывали на частицы, ведущие себя как электроны, но с положительным зарядом, хотя результаты были неубедительными, и явление не получило дальнейшего развития. [24] Пятьдесят лет спустя Андерсон признал, что его открытие было вдохновлено работой его однокурсника по Калтеху Чун-Яо Чао , чьи исследования легли в основу, на которой развилась большая часть работы Андерсона, но в то время не были признаны. [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 допустил его по предложению редактора журнала Physical Review, которому он представил свою статью об открытии в конце 1932 года. Позитрон был первым доказательством существования антиматерии и был обнаружен, когда Андерсон позволил космическим лучам пройти через камеру Вильсона и свинцовую пластину. Магнит окружал этот аппарат, заставляя частицы изгибаться в разных направлениях в зависимости от их электрического заряда. Ионный след, оставленный каждым позитроном, появлялся на фотографической пластине с кривизной, соответствующей отношению массы к заряду электрона, но в направлении, которое показывало, что его заряд был положительным. [28]
Андерсон писал в ретроспективе, что позитрон можно было бы открыть раньше на основе работы Чжун-Яо Чао, если бы только ее продолжили. [24] У Фредерика и Ирен Жолио-Кюри в Париже были доказательства позитронов на старых фотографиях, когда вышли результаты Андерсона, но они отвергли их как протоны. [28]
Позитрон был одновременно открыт Патриком Блэкеттом и Джузеппе Оккиалини в Кавендишской лаборатории в 1932 году. Блэкетт и Оккиалини отложили публикацию, чтобы получить более веские доказательства, поэтому Андерсон смог опубликовать открытие первым. [29]
Позитроны производятся вместе с нейтрино естественным образом в β + распадах природных радиоактивных изотопов (например, калия-40 ) и во взаимодействиях гамма-квантов (испускаемых радиоактивными ядрами) с веществом. Антинейтрино — это еще один вид античастиц, производимых естественной радиоактивностью (β − распадом). Многие различные виды античастиц также производятся (и содержатся в) космическими лучами . В исследовании, опубликованном в 2011 году Американским астрономическим обществом , было обнаружено, что позитроны возникают над грозовыми облаками; позитроны производятся во вспышках гамма-излучения, создаваемых электронами, ускоренными сильными электрическими полями в облаках. [30] Антипротоны также были обнаружены в поясах Ван Аллена вокруг Земли модулем PAMELA . [31] [32]
Античастицы, из которых наиболее распространены антинейтрино и позитроны из-за их малой массы, также производятся в любой среде с достаточно высокой температурой (средняя энергия частиц больше порога образования пар ). В период бариогенеза , когда Вселенная была чрезвычайно горячей и плотной, материя и антиматерия непрерывно производились и уничтожались. Наличие оставшейся материи и отсутствие обнаруживаемой оставшейся антиматерии, [33] также называемой барионной асимметрией , приписывается CP-нарушению : нарушению CP-симметрии, связывающей материю с антиматерией. Точный механизм этого нарушения во время бариогенеза остается загадкой. [34]
Производство позитронов из радиоактивных
β+
распад можно считать как искусственным, так и естественным производством, поскольку генерация радиоизотопа может быть естественной или искусственной. Возможно, наиболее известным естественным радиоизотопом, который производит позитроны, является калий-40, долгоживущий изотоп калия, который встречается как первичный изотоп калия. Несмотря на то, что он составляет небольшой процент калия (0,0117%), это единственный наиболее распространенный радиоизотоп в организме человека. В человеческом теле массой 70 кг (150 фунтов) распадается около 4400 ядер 40 K в секунду. [35] Активность природного калия составляет 31 Бк /г. [36] Около 0,001% этих распадов 40 K производят около 4000 естественных позитронов в день в организме человека. [37] Эти позитроны вскоре находят электрон, подвергаются аннигиляции и производят пары фотонов с энергией 511 кэВ в процессе, похожем (но с гораздо меньшей интенсивностью) на тот, который происходит во время процедуры ПЭТ-сканирования в ядерной медицине . [ необходима ссылка ]
Недавние наблюдения показывают, что черные дыры и нейтронные звезды производят огромные количества позитронно-электронной плазмы в астрофизических струях . Большие облака позитронно-электронной плазмы также связаны с нейтронными звездами. [38] [39] [40]
Спутниковые эксперименты обнаружили доказательства наличия позитронов (а также нескольких антипротонов) в первичных космических лучах, составляющих менее 1% частиц в первичных космических лучах. [41] Однако доля позитронов в космических лучах была измерена совсем недавно с большей точностью, особенно на гораздо более высоких уровнях энергии, и было замечено, что доля позитронов больше в этих космических лучах с более высокой энергией. [42]
Они, по-видимому, не являются продуктами большого количества антиматерии от Большого взрыва или действительно сложной антиматерии во Вселенной (доказательства чего отсутствуют, см. ниже). Скорее, антиматерия в космических лучах, по-видимому, 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 производство высокоэнергетических позитронов во взаимодействиях ядер космических лучей с межзвездным газом. [43]
Предварительные результаты, полученные с помощью действующего в настоящее время альфа-магнитного спектрометра ( AMS-02 ) на борту Международной космической станции, показывают, что позитроны в космических лучах прибывают без какой-либо направленности и с энергиями в диапазоне от 0,5 ГэВ до 500 ГэВ. [44] [45] Доля позитронов достигает максимума около 16% от общего числа событий электрон+позитрон, около энергии 275 ± 32 ГэВ. При более высоких энергиях, до 500 ГэВ, отношение позитронов к электронам снова начинает падать. Абсолютный поток позитронов также начинает падать до 500 ГэВ, но достигает пика при энергиях, намного превышающих энергию электронов, которая составляет около 10 ГэВ. [46] [47] Было высказано предположение, что эти результаты интерпретации связаны с образованием позитронов в событиях аннигиляции массивных частиц темной материи . [48]
Позитроны, как и антипротоны, по-видимому, не происходят из каких-либо гипотетических областей «антивещества» во Вселенной. Напротив, нет никаких доказательств наличия сложных атомных ядер антивещества, таких как ядра антигелия (т. е. антиальфа-частицы), в космических лучах. Их активно ищут. Прототип AMS -02 , обозначенный как AMS-01 , был запущен в космос на борту космического челнока Discovery 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 Национальной лаборатории Лоуренса в Ливерморе в Калифорнии использовали короткий сверхинтенсивный лазер для облучения золотой мишени толщиной в миллиметр и произвели более 100 миллиардов позитронов. [50] Существующее в настоящее время лабораторное производство пучков позитронов и электронов с энергией 5 МэВ позволяет исследовать множество характеристик, таких как то, как различные элементы реагируют на взаимодействия или удары позитронов с энергией 5 МэВ, как энергия передается частицам и ударный эффект гамма-всплесков . [51]
В 2023 году в рамках сотрудничества ЦЕРН и Оксфордского университета был проведен эксперимент на установке HiRadMat [52] , в ходе которого были получены пучки электронно-позитронных пар длительностью в наносекунды, содержащие более 10 триллионов электронно-позитронных пар, что позволило создать первую в лаборатории «парную плазму» с достаточной плотностью для поддержания коллективного поведения плазмы. [53] Будущие эксперименты предоставят возможность изучать физику, относящуюся к экстремальным астрофизическим средам, в которых генерируются обильные электронно-позитронные пары, такие как гамма-всплески , быстрые радиовсплески и струи блазаров .
Определенные виды экспериментов с ускорителями частиц включают столкновение позитронов и электронов на релятивистских скоростях. Высокая энергия удара и взаимное уничтожение этих противоположностей материи/антиматерии создают фонтан разнообразных субатомных частиц. Физики изучают результаты этих столкновений, чтобы проверить теоретические предсказания и найти новые виды частиц. [ необходима цитата ]
Эксперимент ALPHA объединяет позитроны с антипротонами для изучения свойств антиводорода . [54]
Гамма-лучи, испускаемые косвенно позитрон-излучающим радионуклидом (трассером), обнаруживаются в сканерах позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), используемых в больницах. Сканеры ПЭТ создают подробные трехмерные изображения метаболической активности в организме человека. [55]
Экспериментальный инструмент, называемый позитронной аннигиляционной спектроскопией (ПАС), используется в исследовании материалов для обнаружения изменений плотности, дефектов, смещений или даже пустот в твердом материале. [56]
Стрелец производит 15 миллиардов тонн/сек электронно-позитронной материи
Ученые LLNL создали позитроны, выстреливая мощным лазером Titan в кусок золота толщиной в один миллиметр.