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 путем радиоактивного распада позитронов (через слабые взаимодействия ) или путем 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 с положительной и отрицательной энергией. 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 исследовалась 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. [ нужна цитата ]
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 Уилер использовал эту концепцию для объяснения одинаковых свойств, присущих 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, которые могут 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 он представил в приложении. [18] Позже Скобельцын еще решительнее отверг это утверждение, назвав его «не чем иным, как полнейшей чепухой». [19]
Skobeltsyn did pave the way for the eventual discovery of the positron by two important contributions: adding a magnetic field to his cloud chamber (in 1925[20]), and by discovering charged particle cosmic rays,[21] for which he is credited in Carl David Anderson's Nobel lecture.[22] Skobeltzyn did observe likely positron tracks on images taken in 1931,[23] but did not identify them as such at the time.
Likewise, in 1929 Chung-Yao Chao, a Chinese graduate student at Caltech, noticed some anomalous results that indicated particles behaving like electrons, but with a positive charge, though the results were inconclusive and the phenomenon was not pursued.[24] Fifty years later, Anderson acknowledged that his discovery was inspired by the work of his Caltech classmate Chung-Yao Chao, whose research formed the foundation from which much of Anderson's work developed but was not credited at the time.[25]
Anderson discovered the positron on 2 August 1932,[26] for which he won the Nobel Prize for Physics in 1936.[27] Anderson did not coin the term positron, but allowed it at the suggestion of the Physical Review journal editor to whom he submitted his discovery paper in late 1932. The positron was the first evidence of antimatter and was discovered when Anderson allowed cosmic rays to pass through a cloud chamber and a lead plate. A magnet surrounded this apparatus, causing particles to bend in different directions based on their electric charge. The ion trail left by each positron appeared on the photographic plate with a curvature matching the mass-to-charge ratio of an electron, but in a direction that showed its charge was positive.[28]
Anderson wrote in retrospect that the positron could have been discovered earlier based on Chung-Yao Chao's work, if only it had been followed up on.[24] Frédéric and Irène Joliot-Curie in Paris had evidence of positrons in old photographs when Anderson's results came out, but they had dismissed them as protons.[28]
The positron had also been contemporaneously discovered by Patrick Blackett and Giuseppe Occhialini at the Cavendish Laboratory in 1932. Blackett and Occhialini had delayed publication to obtain more solid evidence, so Anderson was able to publish the discovery first.[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] Антипротоны также были обнаружены в поясах Ван Аллена вокруг Земли с помощью модуля ПАМЕЛА . [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 значительное лабораторное производство позитронно-электронных пучков с энергией 5 МэВ позволяет 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]
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 . [52]
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. [53]
Экспериментальный инструмент, называемый позитронно-аннигиляционной спектроскопией (PAS), используется в исследовании материалов для обнаружения изменений плотности, дефектов, смещений или даже пустот внутри твердого материала. [54]
Ученые LLNL создали позитроны, выстрелив мощным лазером Титана в кусок золота толщиной в один миллиметр.