Pozitron - Positron

Pozitron (antielektron)
PositronDiscovery.png
Fotografie cloudové komory od CD Andersona z prvního pozitronu, který byl kdy identifikován . Komoru odděluje olověná deska o průměru 6 mm. Vychýlení a směr iontové stopy částice naznačují, že částice je pozitron.
Složení Elementární částice
Statistika Fermionický
Rodina Antilepton
Generace za prvé
Interakce Gravitační , elektromagnetický , slabý
Symbol
E+
,
β+
Antičástice Elektron
Teoretizoval Paul Dirac (1928)
Objevil Carl D. Anderson (1932)
Hmotnost m e

9,109 383 56 (11) × 10 −31  kg
5,485 799 090 (16) × 10 −4  u

0,510 998 9461 (13)  MeV/ c 2
Střední životnost stabilní (stejný jako elektron)
Elektrický náboj +1  e
+1,602 176 565 (35) × 10 −19  ° C
Roztočit 1/2 (stejné jako elektron)
Slabý isospin LH : 0, RH :1/2

Pozitron nebo antielectron je antičástice nebo antihmota protějšek elektronu . Pozitron má elektrický náboj +1  e , spin 1/2 (stejný jako elektron) a má stejnou hmotnost jako elektron . Když se pozitron srazí s elektronem, dojde ke zničení . Pokud k této srážce dojde při nízkých energiích, výsledkem je produkce dvou nebo více fotonů .

Pozitrony mohou být vytvořeny radioaktivním rozpadem pozitronové emise (prostřednictvím slabých interakcí ) nebo párovou produkcí z dostatečně energetického fotonu, který interaguje s atomem v materiálu.

Dějiny

Teorie

V roce 1928 Paul Dirac publikoval článek navrhující, že elektrony mohou mít kladný i záporný náboj. Tento článek představil Diracovu rovnici , sjednocení kvantové mechaniky, speciální relativity a tehdy nový koncept elektronového spinu, který vysvětluje Zeemanův efekt . Papír výslovně nepředpovídal novou částici, ale umožňoval, aby jako řešení měly elektrony buď pozitivní nebo negativní energii . Hermann Weyl poté publikoval článek pojednávající o matematických důsledcích řešení negativní energie. Řešení s pozitivní energií vysvětlovalo experimentální výsledky, ale Dirac byl zmatený stejně platným řešením negativní energie, které matematický model umožňoval. Kvantová mechanika nedovolila řešení negativní energie jednoduše ignorovat, jak to v takových rovnicích často dělala klasická mechanika; duální řešení znamenalo možnost, aby elektron spontánně přeskakoval mezi pozitivními a negativními energetickými stavy. Žádný takový přechod však dosud nebyl experimentálně pozorován.

Dirac napsal v prosinci 1929 navazující dokument, který se pokusil vysvětlit nevyhnutelné řešení negativní energie pro relativistický elektron. Tvrdil, že „... elektron s negativní energií se pohybuje ve vnějším [elektromagnetickém] poli, jako by nesl kladný náboj.“ Dále tvrdil, že celý prostor lze považovat za „moře“ stavů negativní energie, které byly vyplněny, aby se zabránilo skákání elektronů mezi stavy kladné energie (záporný elektrický náboj) a zápornými energetickými stavy (kladný náboj). Článek také zkoumal možnost, že by proton byl ostrovem v tomto moři, a že by to mohl být ve skutečnosti elektron s negativní energií. Dirac uznal, že problémem je proton s mnohem větší hmotností než elektron, ale vyjádřil „naději“, že problém vyřeší budoucí teorie.

Robert Oppenheimer silně argumentoval proti tomu, aby proton byl řešením elektronů s negativní energií v Diracově rovnici. Tvrdil, že kdyby tomu tak bylo, atom vodíku by se rychle sám zničil. Přesvědčen Oppenheimerovým argumentem, Dirac publikoval v roce 1931 článek, který předpovídal existenci dosud nepozorované částice, kterou nazval „anti-elektron“, která by měla stejnou hmotnost a opačný náboj jako elektron a která by se navzájem zničila při kontaktu s elektronem.

Feynman a dříve Stueckelberg navrhli interpretaci pozitronu jako elektronu pohybujícího se zpět v čase a reinterpretaci řešení negativní energie Diracovy rovnice. Elektrony pohybující se v čase zpět by měly kladný elektrický náboj . Wheeler použil tento koncept, aby vysvětlil identické vlastnosti sdílené všemi elektrony, což naznačuje, že „jsou to všechny stejné elektrony“ se složitou, protínající se světovou linií . Yoichiro Nambu to později aplikoval na veškerou produkci a zničení párů částic a antičástic, přičemž uvedl, že „případné vytvoření a zničení párů, ke kterým může dojít tu a tam, není žádné vytvoření ani zničení, ale pouze změna směru pohybujících se částic, z z minulosti do budoucnosti, nebo z budoucnosti do minulosti “. Pohled z časového hlediska zpět je v dnešní době přijímán jako zcela ekvivalentní jiným obrázkům, ale nemá nic společného s makroskopickými pojmy „příčina“ a „účinek“, které se v mikroskopickém fyzikálním popisu neobjevují.

Experimentální stopy a objevy

Cloudové komory Wilson byly v počátcích fyziky částic velmi důležitými detektory částic . Byly použity při objevu pozitronu, mionu a kaonu .

Několik zdrojů tvrdilo, že Dmitri Skobeltsyn poprvé pozoroval pozitron dlouho před rokem 1930, nebo dokonce již v roce 1923. Uvádějí, že při použití Wilsonovy cloudové komory ke studiu Comptonova jevu Skobeltsyn detekoval částice, které se chovaly jako elektrony, ale byly zakřivené opačným směrem v aplikovaném magnetickém poli a že představil fotografie s tímto fenoménem na konferenci v Cambridge, 23.-27. července 1928. Ve své knize o historii objevu pozitronů z roku 1963 Norwood Russell Hanson podrobně popsal důvodů pro toto tvrzení, a to může být původ mýtu. V příloze ale také představil Skobeltsynovu námitku. Později Skobeltsyn toto tvrzení odmítl ještě důrazněji a nazval jej „nic než naprostý nesmysl“.

Skobeltsyn připravil cestu pro případný objev pozitronu dvěma důležitými příspěvky: přidáním magnetického pole do jeho oblačné komory (v roce 1925) a objevením kosmických paprsků nabitých částic , o které se zasloužil v Nobelově přednášce Carla Andersona. Skobeltzyn pozoroval pravděpodobné pozitronové stopy na snímcích pořízených v roce 1931, ale v té době je jako takové neidentifikoval.

Stejně tak si v roce 1929 Chung-Yao Chao , postgraduální student na Caltech , všiml některých anomálních výsledků, které naznačovaly, že částice se chovají jako elektrony, ale s kladným nábojem, ačkoli výsledky byly neprůkazné a tento jev nebyl sledován.

Carl David Anderson objevil pozitron dne 2. srpna 1932, za který v roce 1936 získal Nobelovu cenu za fyziku. Anderson termín pozitron nezrazil , ale povolil jej na návrh redaktora časopisu Physical Review, kterému předložil svůj objevný papír na konci roku 1932. Pozitron byl prvním důkazem antihmoty a byl objeven, když Anderson dovolil kosmickým paprskům projít skrz mračnou komoru a olověnou desku. Toto zařízení obklopil magnet, který způsobil, že se částice ohýbaly v různých směrech na základě svého elektrického náboje. Iontová stopa, kterou zanechal každý pozitron, se objevila na fotografické desce se zakřivením odpovídajícím poměru hmotnosti k náboje elektronu, ale ve směru, který ukazoval, že jeho náboj je kladný.

Anderson zpětně napsal, že pozitron mohl být objeven dříve na základě práce Chung-Yao Chao, jen kdyby na něj bylo navázáno. Když vyšli Andersonovy výsledky, měli Frédéric a Irène Joliot-Curieovi v Paříži důkazy o pozitronech na starých fotografiích, ale odmítli je jako protony.

Pozitron byl současně objeven Patrickem Blackettem a Giuseppem Occhialinim v Cavendishově laboratoři v roce 1932. Blackett a Occhialini odložili zveřejnění, aby získali spolehlivější důkazy, takže Anderson byl schopen publikovat objev jako první.

Přírodní produkce

Pozitrony se přirozeně produkují v β + rozpadech přirozeně se vyskytujících radioaktivních izotopů (například draslíku-40 ) a v interakcích gama kvanta (emitovaných radioaktivními jádry) s hmotou. Antineutrina jsou dalším druhem antičástic produkovaných přirozenou radioaktivitou (β - rozpad). Kosmické paprsky také produkují (a obsahují) mnoho různých druhů antičástic . Ve výzkumu publikovaném v roce 2011 Americkou astronomickou společností byly objeveny pozitrony pocházející z bouřkových mraků; pozitrony se vyrábějí v záblescích gama záření vytvářených elektrony urychlenými silnými elektrickými poli v oblacích. Bylo také zjištěno, že antiprotony existují ve Van Allenových pásech kolem Země modulem PAMELA .

Antičástice, z nichž nejběžnější jsou vzhledem ke své nízké hmotnosti pozitrony, se také vyrábějí v jakémkoli prostředí s dostatečně vysokou teplotou (střední energie částic větší než práh produkce páru ). V období baryogeneze , kdy byl vesmír extrémně horký a hustý, se neustále vyráběla a ničila hmota a antihmota. Přítomnost zbývající hmoty a absence detekovatelné zbývající antihmoty, nazývané také baryonová asymetrie , je přičítána porušení CP : porušení CP-symetrie týkající se hmoty s antihmotou. Přesný mechanismus tohoto porušení během baryogeneze zůstává záhadou.

Výroba pozitronů z radioaktivních látek
β+
rozpad lze považovat za umělou i přirozenou produkci, protože generování radioizotopu může být přirozené nebo umělé. Snad nejznámější přirozeně se vyskytující radioizotop, který produkuje pozitrony, je draslík-40, dlouhotrvající izotop draslíku, který se vyskytuje jako prvotní izotop draslíku. Přestože jde o malé procento draslíku (0,0117%), jedná se o jeden z nejhojnějších radioizotopů v lidském těle. V lidském těle o hmotnosti 70 kg (150 lb) se za sekundu rozpadne asi 4400 jader o hmotnosti 40 K. Aktivita přírodního draslíku je 31 Bq /g. Asi 0,001% z těchto 40 K rozpadů produkuje v lidském těle denně asi 4000 přirozených pozitronů. Tyto pozitrony brzy najdou elektron, podstoupí anihilaci a produkují páry 511 keV fotonů, v procesu podobném (ale mnohem nižší intenzitě), jako je ten, který se děje během postupu PET nukleární medicíny .

Nedávná pozorování naznačují, že černé díry a neutronové hvězdy produkují obrovské množství plazmatu pozitronových elektronů v astrofyzikálních tryskách . S neutronovými hvězdami jsou také spojovány velké mraky pozitronového elektronového plazmatu.

Pozorování v kosmických paprscích

Satelitní experimenty nalezly důkazy o pozitronech (a také několika antiprotonech) v primárních kosmických paprscích, což představuje méně než 1% částic v primárních kosmických paprscích. Frakce pozitronů v kosmických paprscích však byla v poslední době měřena se zlepšenou přesností, zejména při mnohem vyšších energetických hladinách, a frakce pozitronů byla v těchto kosmických paprscích s vyšší energií považována za větší.

https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2015/03/aa25197-14/aa25197-14.html

These do not appear to be the products of large amounts of antimatter from the Big Bang, or indeed complex antimatter in the universe (evidence for which is lacking, see below). Rather, the antimatter in cosmic rays appear to consist of only these two elementary particles. Recent theories suggest the source of such positrons may come from annihilation of dark matter particles, acceleration of positrons to high energies in astrophysical objects, and production of high energy positrons in the interactions of cosmic ray nuclei with interstellar gas.

Předběžné výsledky z v současné době provozovaného Alpha magnetického spektrometru ( AMS-02 ) na palubě Mezinárodní vesmírné stanice ukazují, že pozitrony v kosmických paprscích přicházejí bez směrovosti a s energiemi, které se pohybují od 0,5 GeV do 500 GeV. Frakce pozitronu vrcholí maximálně asi 16% z celkového počtu událostí elektron+pozitron, kolem energie 275 ± 32 GeV. Při vyšších energiích, až 500 GeV, začne poměr pozitronů k elektronům opět klesat. Absolutní tok pozitronů také začíná klesat před 500 GeV, ale vrcholí při energiích mnohem vyšších než energie elektronů, které dosahují vrcholu kolem 10 GeV. Předpokládá se, že tyto výsledky interpretace jsou způsobeny produkcí pozitronů při událostech zničení hmotných částic temné hmoty .

Zdá se, že pozitrony, stejně jako anti-protony, nepocházejí z žádných hypotetických „antihmotových“ oblastí vesmíru. Naopak v kosmických paprscích neexistuje žádný důkaz o komplexních atomových jádrech antihmoty, jako jsou jádra antihelium (tj. Částice anti-alfa). Aktivně se po nich pátrá. Prototyp AMS-02 určený AMS-01 , byl letecky převezen do vesmíru na palubě raketoplánu Discovery na STS-91 v červnu 1998. Tím, že zjištění jakékoliv antihelium vůbec, AMS-01 stanovena horní hranice 1,1 x 10 - 6 pro poměr toku antihelium a hélia .

Umělá výroba

Fyzici z kalifornské národní laboratoře Lawrence Livermore použili krátký, extrémně intenzivní laser k ozařování zlatého terčíku o tloušťce milimetru a k produkci více než 100 miliard pozitronů. V současné době významná laboratorní produkce 5 MeV pozitronových elektronových paprsků umožňuje zkoumat více charakteristik, jako například to, jak různé prvky reagují na 5 MeV pozitronové interakce nebo dopady, jak je energie přenášena na částice a šokový účinek gama záblesků (GRB).

Aplikace

Některé druhy experimentů urychlovače částic zahrnují srážení pozitronů a elektronů relativistickými rychlostmi. Vysoká energie nárazu a vzájemné zničení těchto protikladů hmoty/antihmoty vytváří pramen různých subatomárních částic. Fyzici studují výsledky těchto srážek, aby testovali teoretické předpovědi a hledali nové druhy částic.

Tyto ALPHA experiment kombajny pozitrony s antiprotonů ke studiu vlastností antihydrogen .

Gama paprsky, emitované nepřímo radionuklidem emitujícím pozitron (stopovač), jsou detekovány ve skenerech s pozitronovou emisní tomografií (PET) používaných v nemocnicích. PET skenery vytvářejí detailní trojrozměrné obrazy metabolické aktivity v lidském těle.

Experimentální nástroj zvaný pozitronová anihilační spektroskopie (PAS) se používá v materiálovém výzkumu k detekci změn hustoty, defektů, posunů nebo dokonce dutin v pevném materiálu.

Viz také

Reference

externí odkazy