Positron - Positron

Positron (antielétron)
PositronDiscovery.png
Fotografia da câmara de nuvem por CD Anderson do primeiro pósitron já identificado . Uma placa de chumbo de 6 mm separa a câmara. A deflexão e a direção da trilha de íons da partícula indicam que a partícula é um pósitron.
Composição Partícula elementar
Estatisticas Fermiônico
Família Antilepton
Geração Primeiro
Interações Gravidade , eletromagnética , fraca
Símbolo
e+
,
β+
Antipartícula Elétron
Teorizado Paul Dirac (1928)
Descoberto Carl D. Anderson (1932)
Massa eu 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
Vida média estável (igual ao elétron)
Carga elétrica +1  e
+1,602 176 565 (35) × 10 −19  C
Rodar 1/2 (igual ao elétron)
Isospin fraco LH : 0, RH :1/2

O pósitron ou antielétron é a antipartícula ou a contraparte de antimatéria do elétron . O pósitron tem uma carga elétrica de +1  e , um spin de 1/2 (o mesmo que o elétron) e tem a mesma massa de um elétron . Quando um pósitron colide com um elétron, ocorre a aniquilação . Se essa colisão ocorrer com baixas energias, resultará na produção de dois ou mais fótons .

Os pósitrons podem ser criados por decaimento radioativo de emissão de pósitrons (por meio de interações fracas ), ou pela produção de pares de um fóton suficientemente energético que está interagindo com um átomo em um material.

História

Teoria

Em 1928, Paul Dirac publicou um artigo propondo que os elétrons podem ter carga positiva e negativa. Este artigo apresentou a equação de Dirac , uma unificação da mecânica quântica, relatividade especial e o então novo conceito de spin do elétron para explicar o efeito Zeeman . O artigo não previu explicitamente uma nova partícula, mas permitiu que os elétrons tivessem energia positiva ou negativa como soluções . Hermann Weyl então publicou um artigo discutindo as implicações matemáticas da solução de energia negativa. A solução de energia positiva explicou os resultados experimentais, mas Dirac ficou intrigado com a solução de energia negativa igualmente válida que o modelo matemático permitia. A mecânica quântica não permitia que a solução da energia negativa fosse simplesmente ignorada, como a mecânica clássica costumava fazer nessas equações; a solução dupla implicava a possibilidade de um elétron saltar espontaneamente entre os estados de energia positiva e negativa. No entanto, essa transição ainda não havia sido observada experimentalmente.

Dirac escreveu um artigo subsequente em dezembro de 1929 que tentou explicar a solução inevitável de energia negativa para o elétron relativístico. Ele argumentou que "... um elétron com energia negativa se move em um campo [eletromagnético] externo como se carregasse uma carga positiva." Ele afirmou ainda que todo o espaço poderia ser considerado como um "mar" de estados de energia negativa que foram preenchidos, de modo a evitar que os elétrons saltassem entre estados de energia positiva (carga elétrica negativa) e estados de energia negativa (carga positiva). O artigo também explorou a possibilidade de o próton ser uma ilha neste mar, e que na verdade ele pode ser um elétron de energia negativa. Dirac reconheceu que o próton com uma massa muito maior do que o elétron era um problema, mas expressou "esperança" de que uma teoria futura resolveria o problema.

Robert Oppenheimer argumentou fortemente contra o próton ser a solução do elétron de energia negativa para a equação de Dirac. Ele afirmou que, se fosse, o átomo de hidrogênio se autodestruiria rapidamente. Persuadido pelo argumento de Oppenheimer, Dirac publicou um artigo em 1931 que previa a existência de uma partícula ainda não observada que ele chamou de "anti-elétron" que teria a mesma massa e carga oposta de um elétron e que se aniquilaria mutuamente em contato com um elétron.

Feynman , e anteriormente Stueckelberg , propuseram uma interpretação do pósitron como um elétron que se move para trás no tempo, reinterpretando as soluções de energia negativa da equação de Dirac. Os elétrons voltando no tempo teriam uma carga elétrica positiva . Wheeler invocado este conceito para explicar as propriedades idênticas compartilhadas por todos os elétrons, sugerindo que "todos eles são o mesmo elétron" com um complexo, auto-interseção Worldline . Yoichiro Nambu mais tarde aplicou-o a toda a produção e aniquilação de pares partícula-antipartícula, afirmando que "a eventual criação e aniquilação de pares que pode ocorrer de vez em quando não é criação ou aniquilação, mas apenas uma mudança de direção das partículas em movimento, a partir do passado para o futuro, ou do futuro para o passado. " O retrocesso no tempo é hoje aceito como completamente equivalente a outras imagens, mas não tem nada a ver com os termos macroscópicos "causa" e "efeito", que não aparecem em uma descrição física microscópica.

Pistas experimentais e descoberta

As câmaras da Wilson Cloud costumavam ser detectores de partículas muito importantes nos primeiros dias da física de partículas . Eles foram usados ​​na descoberta do pósitron, múon e kaon .

Várias fontes afirmaram que Dmitri Skobeltsyn observou o pósitron pela primeira vez muito antes de 1930, ou mesmo já em 1923. Eles afirmam que, ao usar uma câmara de nuvem de Wilson para estudar o efeito Compton , Skobeltsyn detectou partículas que agiam como elétrons, mas se curvavam no direção oposta em um campo magnético aplicado, e que ele apresentou fotografias com esse fenômeno em uma conferência em Cambridge, em 23-27 de julho de 1928. Em seu livro sobre a história da descoberta de pósitrons de 1963, Norwood Russell Hanson fez um relato detalhado das razões para esta afirmação, e esta pode ter sido a origem do mito. Mas ele também apresentou a objeção de Skobeltsyn a ela em um apêndice. Mais tarde, Skobeltsyn rejeitou esta afirmação ainda mais fortemente, chamando-a de "nada além de pura bobagem".

Skobeltsyn preparou o caminho para a eventual descoberta do pósitron por meio de duas contribuições importantes: adicionando um campo magnético à sua câmara de nuvens (em 1925) e descobrindo raios cósmicos de partículas carregadas , pelos quais ele é creditado na palestra Nobel de Carl Anderson. Skobeltzyn observou provavelmente rastros de pósitrons em imagens tiradas em 1931, mas não os identificou como tal na época.

Da mesma forma, em 1929, Chung-Yao Chao , um estudante de graduação na Caltech , notou alguns resultados anômalos que indicavam que as partículas se comportavam como elétrons, mas com uma carga positiva, embora os resultados fossem inconclusivos e o fenômeno não fosse perseguido.

Carl David Anderson descobriu o pósitron em 2 de agosto de 1932, pelo qual ganhou o Prêmio Nobel de Física em 1936. Anderson não cunhou o termo pósitron , mas o permitiu por sugestão do editor do jornal Physical Review , a quem enviou seu artigo de descoberta no final de 1932. O pósitron foi a primeira evidência de antimatéria e foi descoberto quando Anderson permitiu que os raios cósmicos passassem por uma câmara de nuvem e uma placa de chumbo. Um ímã cercou esse aparelho, fazendo com que as partículas se curvassem em diferentes direções com base em sua carga elétrica. A trilha de íons deixada por cada pósitron apareceu na placa fotográfica com uma curvatura que correspondia à razão massa-carga de um elétron, mas em uma direção que mostrava que sua carga era positiva.

Anderson escreveu em retrospecto que o pósitron poderia ter sido descoberto antes com base no trabalho de Chung-Yao Chao, se tivesse sido seguido. Frédéric e Irène Joliot-Curie em Paris tinham evidências de pósitrons em fotos antigas quando os resultados de Anderson foram publicados, mas eles os descartaram como prótons.

O pósitron também foi descoberto contemporaneamente por Patrick Blackett e Giuseppe Occhialini no Laboratório Cavendish em 1932. Blackett e Occhialini atrasaram a publicação para obter evidências mais sólidas, então Anderson foi capaz de publicar a descoberta primeiro.

Produção natural

Os pósitrons são produzidos naturalmente em decaimentos β + de isótopos radioativos de ocorrência natural (por exemplo, potássio-40 ) e em interações de gama quanta (emitidos por núcleos radioativos) com a matéria. Antineutrinos são outro tipo de antiparticle produzido por radioactividade naturais (β - deterioração). Muitos tipos diferentes de antipartículas também são produzidos (e contidos nos) raios cósmicos . Em uma pesquisa publicada em 2011 pela American Astronomical Society , pósitrons foram descobertos originando-se acima de nuvens de tempestade ; pósitrons são produzidos em flashes de raios gama criados por elétrons acelerados por fortes campos elétricos nas nuvens. Também foram encontrados antiprótons nos cinturões Van Allen ao redor da Terra pelo módulo PAMELA .

As antipartículas, das quais as mais comuns são pósitrons devido à sua baixa massa, também são produzidas em qualquer ambiente com temperatura suficientemente alta (energia média das partículas maior que o limiar de produção do par ). Durante o período da bariogênese , quando o universo era extremamente quente e denso, matéria e antimatéria eram continuamente produzidas e aniquiladas. A presença de matéria remanescente e ausência de antimatéria remanescente detectável, também chamada de assimetria bariônica , é atribuída à violação de CP : uma violação da simetria de CP relacionando matéria com antimatéria. O mecanismo exato dessa violação durante a bariogênese permanece um mistério.

Produção de pósitrons radioativos
β+
a decadência pode ser considerada produção artificial e natural, pois a geração do radioisótopo pode ser natural ou artificial. Talvez o radioisótopo de ocorrência natural mais conhecido que produz pósitrons seja o potássio-40, um isótopo de potássio de longa vida que ocorre como um isótopo primordial do potássio. Embora seja uma pequena porcentagem de potássio (0,0117%), é o radioisótopo mais abundante no corpo humano. Em um corpo humano de 70 kg (150 lb) de massa, cerca de 4.400 núcleos de 40 K decaem por segundo. A atividade do potássio natural é 31 Bq / g. Cerca de 0,001% desses decaimentos de 40 K produzem cerca de 4000 pósitrons naturais por dia no corpo humano. Esses pósitrons logo encontram um elétron, sofrem aniquilação e produzem pares de fótons 511 keV , em um processo semelhante (mas de intensidade muito menor) ao que ocorre durante um procedimento de medicina nuclear de varredura PET .

Observações recentes indicam que buracos negros e estrelas de nêutrons produzem grandes quantidades de plasma pósitron-elétron em jatos astrofísicos . Grandes nuvens de plasma pósitron-elétron também foram associadas a estrelas de nêutrons.

Observação em raios cósmicos

Experimentos de satélite encontraram evidências de pósitrons (bem como alguns antiprótons) em raios cósmicos primários, totalizando menos de 1% das partículas em raios cósmicos primários. No entanto, a fração de pósitrons nos raios cósmicos foi medida mais recentemente com maior precisão, especialmente em níveis de energia muito mais elevados, e a fração de pósitrons foi considerada maior nesses raios cósmicos de alta energia.

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.

Os resultados preliminares do Espectrômetro Alfa Magnético ( AMS-02 ) atualmente em operação a bordo da Estação Espacial Internacional mostram que os pósitrons nos raios cósmicos chegam sem direcionalidade e com energias que variam de 0,5 GeV a 500 GeV. A fração de pósitrons atinge o pico em um máximo de cerca de 16% do total de eventos elétron + pósitron, em torno de uma energia de 275 ± 32 GeV. Em energias mais altas, até 500 GeV, a proporção de pósitrons para elétrons começa a cair novamente. O fluxo absoluto de pósitrons também começa a cair antes de 500 GeV, mas atinge o pico em energias muito mais altas do que as energias de elétrons, que atingem o pico em cerca de 10 GeV. Esses resultados na interpretação foram sugeridos como sendo devidos à produção de pósitrons em eventos de aniquilação de partículas massivas de matéria escura .

Os pósitrons, como os antiprótons, não parecem se originar de nenhuma região hipotética de "antimatéria" do universo. Ao contrário, não há evidência de núcleos atômicos de antimatéria complexos, como núcleos de antihélio (isto é, partículas de anti-alfa), em raios cósmicos. Eles estão sendo ativamente pesquisados. Um protótipo do AMS-02, designado AMS-01 , foi levado ao espaço a bordo do Ônibus Espacial Discovery na STS-91 em junho de 1998. Ao não detectar qualquer anti -élio , o AMS-01 estabeleceu um limite superior de 1,1 × 10 - 6 para a razão de fluxo de anti-hélio para hélio .

Produção artificial

Físicos do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, na Califórnia, usaram um laser curto e ultra-intenso para irradiar um alvo de ouro com um milímetro de espessura e produzir mais de 100 bilhões de pósitrons. A produção de laboratório atualmente significativa de feixes de elétrons de pósitrons de 5 MeV permite a investigação de várias características, como a forma como diferentes elementos reagem a interações ou impactos de pósitrons de 5 MeV, como a energia é transferida para as partículas e o efeito de choque de explosões de raios gama (GRBs).

Formulários

Certos tipos de experimentos com aceleradores de partículas envolvem a colisão de pósitrons e elétrons em velocidades relativísticas. A energia de alto impacto e a aniquilação mútua desses opostos matéria / antimatéria criam uma fonte de diversas partículas subatômicas. Os físicos estudam os resultados dessas colisões para testar previsões teóricas e pesquisar novos tipos de partículas.

O experimento ALPHA combina pósitrons com antiprótons para estudar as propriedades do anti-hidrogênio .

Os raios gama, emitidos indiretamente por um radionuclídeo emissor de pósitrons (traçador), são detectados em scanners de tomografia por emissão de pósitrons (PET) usados ​​em hospitais. Os scanners PET criam imagens tridimensionais detalhadas da atividade metabólica do corpo humano.

Uma ferramenta experimental chamada espectroscopia de aniquilação de pósitrons (PAS) é usada na pesquisa de materiais para detectar variações na densidade, defeitos, deslocamentos ou mesmo vazios dentro de um material sólido.

Veja também

Referências

links externos