Positrón

Partícula subatómica con carga positiva

Para otros usos, consulte Positrón (desambiguación) .

Positrón (antielectrón)

Fotografía de la cámara de niebla por CD Anderson del primer positrón identificado . Una placa de plomo de 6 mm separa la cámara. La desviación y la dirección del rastro de iones de la partícula indican que la partícula es un positrón.
Composición	Partícula elemental
Estadísticas	Fermiónico
Generacion	Primero
Interacciones	Gravedad , electromagnética , débil
Símbolo	mi+ , β+
Antipartícula	Electrón
Teorizado	Paul Dirac (1928)
Descubierto	Carl D. Anderson (1932)
Masa	m electrónico 9,109 383 56 (11) × 10 −31  kg [1] 5.485 799 090 (16) × 10 −4  u [1] 0.510 998 9.461 (13)  MeV / c 2 [1]
Vida media	estable (igual que el electrón)
Carga eléctrica	+1  e +1.602 176 565 (35) × 10 -19  C [1]
Girar	1/2 (igual que el electrón)
Isospin débil	LH : 0, RH :1/2

El positrón o antielectrón es la antipartícula o la contraparte de antimateria del electrón . El positrón tiene una carga eléctrica de +1  e , un espín de 1/2 (lo mismo que el electrón) y tiene la misma masa que un electrón . Cuando un positrón choca con un electrón, se produce la aniquilación . Si esta colisión ocurre a bajas energías, resulta en la producción de dos o más fotones .

Los positrones se pueden crear por desintegración radiactiva por emisión de positrones (a través de interacciones débiles ), o por producción de pares a partir de un fotón suficientemente energético que interactúa con un átomo en un material.

Historia

Teoría

En 1928, Paul Dirac publicó un artículo ^[2] que proponía que los electrones pueden tener una carga tanto positiva como negativa. Este artículo presentó la ecuación de Dirac , una unificación de la mecánica cuántica, la relatividad especial y el entonces nuevo concepto de espín de electrones para explicar el efecto Zeeman . El artículo no predijo explícitamente una nueva partícula, pero permitió que los electrones tuvieran energía positiva o negativa como soluciones. Luego, Hermann Weyl publicó un artículo sobre las implicaciones matemáticas de la solución de energía negativa. ^[3]La solución de energía positiva explicaba los resultados experimentales, pero Dirac estaba desconcertado por la solución de energía negativa igualmente válida que permitía el modelo matemático. La mecánica cuántica no permitió simplemente ignorar la solución de energía negativa, como solía hacer la mecánica clásica en tales ecuaciones; la solución dual implicaba la posibilidad de que un electrón saltara espontáneamente entre estados de energía positiva y negativa. Sin embargo, todavía no se había observado experimentalmente tal transición. ^{[ cita requerida ]}

Dirac escribió un artículo de seguimiento en diciembre de 1929 ^[4] que intentó explicar la inevitable solución de energía negativa para el electrón relativista. Argumentó que "... un electrón con energía negativa se mueve en un campo [electromagnético] externo como si llevara una carga positiva". Afirmó además que todo el espacio podría considerarse como un "mar" de estados de energía negativa que estaban llenos, para evitar que los electrones saltaran entre estados de energía positiva (carga eléctrica negativa) y estados de energía negativa (carga positiva). El documento también exploró la posibilidad de que el protónsiendo una isla en este mar, y que en realidad podría ser un electrón de energía negativa. Dirac reconoció que el protón que tiene una masa mucho mayor que el electrón era un problema, pero expresó "esperanza" de que una teoría futura resolvería el problema. ^{[ cita requerida ]}

Robert Oppenheimer argumentó firmemente en contra de que el protón sea la solución de electrones de energía negativa para la ecuación de Dirac. Afirmó que si lo fuera, el átomo de hidrógeno se autodestruiría rápidamente. ^[5] Persuadido por el argumento de Oppenheimer, Dirac publicó un artículo en 1931 que predijo la existencia de una partícula aún no observada que llamó un "anti-electrón" que tendría la misma masa y la carga opuesta que un electrón y que se aniquilarían mutuamente al entrar en contacto con un electrón. ^[6]

Feynman , y antes Stueckelberg , propusieron una interpretación del positrón como un electrón que se mueve hacia atrás en el tiempo, ^[7] reinterpretando las soluciones de energía negativa de la ecuación de Dirac. Los electrones que retroceden en el tiempo tendrían una carga eléctrica positiva . Wheeler invoca este concepto para explicar las propiedades idénticas compartidas por todos los electrones, lo que sugiere que "son todos iguales de electrones" con un complejo, autointerseca línea temporal . ^[8] Yoichiro Nambu luego lo aplicó a toda producción y aniquilación.de pares partícula-antipartícula, afirmando que "la eventual creación y aniquilación de pares que pueden ocurrir de vez en cuando no es creación o aniquilación, sino sólo un cambio de dirección de partículas en movimiento, del pasado al futuro, o del futuro al futuro. el pasado." ^[9] El punto de vista hacia atrás en el tiempo se acepta hoy en día como completamente equivalente a otras imágenes, pero no tiene nada que ver con los términos macroscópicos "causa" y "efecto", que no aparecen en una descripción física microscópica. ^{[ cita requerida ]}

Pistas experimentales y descubrimiento

Las cámaras Wilson Cloud solían ser detectores de partículas muy importantes en los primeros días de la física de partículas . Fueron utilizados en el descubrimiento del positrón, el muón y el kaón .

Antimateria
Aniquilación
Dispositivos Acelerador de partículas Trampa de penning Cámara de Wilson
Antipartículas Positrón Antiprotón Antineutrón
Usos Tomografía de emisión de positrones Gasolina Arma
Cuerpos Colaboración ALPHA ATENEA UNA TRAMPA CERN RHIC
Personas Paul Dirac Carl David Anderson Andrei Sajarov
v t mi

Varias fuentes han afirmado que Dmitri Skobeltsyn observó por primera vez el positrón mucho antes de 1930, ^[10] o incluso ya en 1923. ^[11] Afirman que mientras usaba una cámara de niebla Wilson ^[12] para estudiar el efecto Compton , Skobeltsyn detectó partículas que actuaban como electrones pero se curvaban en la dirección opuesta en un campo magnético aplicado, y que presentó fotografías con este fenómeno en una conferencia en Cambridge, del 23 al 27 de julio de 1928. En su libro ^[13] sobre la historia del positrón descubrimiento de 1963, Norwood Russell Hansonha dado una descripción detallada de las razones de esta afirmación, y este puede haber sido el origen del mito. Pero también presentó la objeción de Skobeltsyn en un apéndice. ^[14] Más tarde, Skobeltsyn ha rechazado esta afirmación aún más enérgicamente, llamándola "nada más que una pura tontería". ^[15]

Skobeltsyn allanó el camino para el eventual descubrimiento del positrón mediante dos contribuciones importantes: la adición de un campo magnético a su cámara de niebla (en 1925 ^[16] ) y el descubrimiento de rayos cósmicos de partículas cargadas , ^[17] por lo que se le atribuye en Conferencia Nobel de Carl Anderson. ^[18] Skobeltzyn observó probables huellas de positrones en imágenes tomadas en 1931, ^[19] pero no las identificó como tales en ese momento.

Asimismo, en 1929 Chung-Yao Chao , un estudiante de posgrado en Caltech , notó algunos resultados anómalos que indicaban partículas comportándose como electrones, pero con una carga positiva, aunque los resultados no fueron concluyentes y el fenómeno no fue perseguido. ^[20]

Carl David Anderson descubrió el positrón el 2 de agosto de 1932, ^[21] por lo que ganó el Premio Nobel de Física en 1936. ^[22] Anderson no acuñó el término positrón , pero lo permitió a sugerencia del editor de la revista Physical Review. a quien presentó su artículo de descubrimiento a finales de 1932. El positrón fue la primera evidencia de antimateria y fue descubierto cuando Anderson permitió que los rayos cósmicos pasaran a través de una cámara de niebla y una placa de plomo. Un imán rodeaba este aparato, haciendo que las partículas se doblaran en diferentes direcciones según su carga eléctrica. El rastro de iones dejado por cada positrón apareció en la placa fotográfica con una curvatura que coincidía con la relación masa-carga.de un electrón, pero en una dirección que mostraba que su carga era positiva. ^[23]

Anderson escribió en retrospectiva que el positrón podría haberse descubierto antes basándose en el trabajo de Chung-Yao Chao, si tan solo se le hubiera hecho un seguimiento. ^[20] Frédéric e Irène Joliot-Curie en París tenían evidencia de positrones en fotografías antiguas cuando aparecieron los resultados de Anderson, pero los habían descartado como protones. ^[23]

El positrón también había sido descubierto simultáneamente por Patrick Blackett y Giuseppe Occhialini en el Laboratorio Cavendish en 1932. Blackett y Occhialini habían retrasado la publicación para obtener pruebas más sólidas, por lo que Anderson pudo publicar el descubrimiento primero. ^[24]

Producción natural

Artículo principal: emisión de positrones

Los positrones se producen naturalmente en desintegraciones β ⁺ de isótopos radiactivos naturales (por ejemplo, potasio-40 ) y en interacciones de gamma cuantos (emitidos por núcleos radiactivos) con la materia. Antineutrinos son otro tipo de antipartícula producido por radiactividad natural (β ^- decaimiento). Los rayos cósmicos también producen (y contienen) muchos tipos diferentes de antipartículas . En una investigación publicada en 2011 por la Sociedad Astronómica Estadounidense, se descubrieron positrones que se originaban por encima de las nubes de tormenta ; los positrones se producen en destellos de rayos gamma creados por electrones acelerados por fuertes campos eléctricos en las nubes. ^[25]También se ha descubierto que existen antiprotones en los cinturones de Van Allen alrededor de la Tierra por el módulo PAMELA . ^{[26] [27]}

Las antipartículas, de las cuales las más comunes son los positrones debido a su baja masa, también se producen en cualquier ambiente con una temperatura suficientemente alta (energía media de las partículas mayor que el umbral de producción del par ). Durante el período de bariogénesis, cuando el universo era extremadamente caliente y denso, la materia y la antimateria se producían y aniquilaban continuamente. La presencia de materia remanente y la ausencia de antimateria remanente detectable, ^[28] también llamada asimetría bariónica , se atribuye a la violación de CP : una violación de la simetría de CP que relaciona la materia con la antimateria. El mecanismo exacto de esta violación durante la bariogénesis sigue siendo un misterio. ^[29]

Producción de positrones a partir de radiactivos. β+la desintegración puede considerarse una producción tanto artificial como natural, ya que la generación del radioisótopo puede ser natural o artificial. Quizás el radioisótopo natural más conocido que produce positrones es el potasio-40 , un isótopo de potasio de larga duración que se presenta como un isótopo primordial del potasio. Aunque tiene un pequeño porcentaje de potasio (0,0117%), es el radioisótopo más abundante en el cuerpo humano. En un cuerpo humano de 70 kg de masa, aproximadamente 4400 núcleos de ⁴⁰ K decaen por segundo. ^[30] La actividad del potasio natural es de 31 Bq / g. ^[31] Aproximadamente el 0,001% de estos ⁴⁰Las desintegraciones de K producen alrededor de 4000 positrones naturales por día en el cuerpo humano. ^[32] Estos positrones pronto encuentran un electrón, se aniquilan y producen pares de fotones de 511 keV, en un proceso similar (pero de mucha menor intensidad) al que ocurre durante un procedimiento de medicina nuclear con escaneo PET . ^{[ cita requerida ]}

Observaciones recientes indican que los agujeros negros y las estrellas de neutrones producen grandes cantidades de plasma de positrones y electrones en chorros astrofísicos . Las grandes nubes de plasma de positrones y electrones también se han asociado con estrellas de neutrones. ^{[33] [34] [35]}

Observación en rayos cósmicos

Artículo principal: Rayo cósmico

Los experimentos de satélites han encontrado evidencia de positrones (así como algunos antiprotones) en rayos cósmicos primarios, que ascienden a menos del 1% de las partículas en rayos cósmicos primarios. Estos no parecen ser el producto de grandes cantidades de antimateria del Big Bang, o de hecho antimateria compleja en el universo (falta evidencia, ver más abajo). Más bien, la antimateria en los rayos cósmicos parece consistir solo en estas dos partículas elementales, probablemente creadas en procesos energéticos mucho después del Big Bang. ^{[ cita requerida ]}

Los resultados preliminares del Espectrómetro Magnético Alfa ( AMS-02 ) actualmente en funcionamiento a bordo de la Estación Espacial Internacional muestran que los positrones en los rayos cósmicos llegan sin direccionalidad y con energías que oscilan entre 0,5 GeV y 500 GeV. ^{[36] [37]} La fracción de positrones alcanza un máximo de aproximadamente el 16% de los eventos totales de electrones + positrones, alrededor de una energía de 275 ± 32 GeV. A energías más altas, hasta 500 GeV, la relación de positrones a electrones comienza a caer nuevamente. El flujo absoluto de positrones también comienza a descender antes de los 500 GeV, pero alcanza un máximo a energías mucho más altas que las energías de los electrones, que alcanzan un máximo de unos 10 GeV. ^{[38] [39]}Se ha sugerido que estos resultados en la interpretación se deben a la producción de positrones en eventos de aniquilación de partículas masivas de materia oscura . ^[40]

Los positrones, como los anti-protones, no parecen originarse en ninguna región hipotética de "antimateria" del universo. Por el contrario, no hay evidencia de núcleos atómicos de antimateria complejos, como núcleos de antihelio (es decir, partículas anti-alfa), en los rayos cósmicos. Estos se están buscando activamente. Un prototipo del AMS-02 designado AMS-01 , fue volado al espacio a bordo del Transbordador Espacial Discovery en STS-91 en junio de 1998. Al no detectar ningún antihelio , el AMS-01 estableció un límite superior de 1.1 × 10 ^{- 6} para la relación de flujo de antihelio a helio . ^[41]

Producción artificial

Los físicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California han utilizado un láser corto y ultra intenso para irradiar un objetivo de oro de un milímetro de espesor y producir más de 100 mil millones de positrones. ^[42] Actualmente, la producción significativa de laboratorio de haces de electrones de positrones de 5 MeV permite la investigación de múltiples características, como la forma en que los diferentes elementos reaccionan a las interacciones o impactos de positrones de 5 MeV, cómo se transfiere la energía a las partículas y el efecto de choque de los estallidos de rayos gamma ( GRB). ^[43]

Aplicaciones

Ciertos tipos de experimentos con aceleradores de partículas implican la colisión de positrones y electrones a velocidades relativistas. La energía de alto impacto y la aniquilación mutua de estos opuestos materia / antimateria crean una fuente de diversas partículas subatómicas. Los físicos estudian los resultados de estas colisiones para probar predicciones teóricas y buscar nuevos tipos de partículas. ^{[ cita requerida ]}

El experimento ALPHA combina positrones con antiprotones para estudiar las propiedades del antihidrógeno . ^{[ cita requerida ]}

Los rayos gamma, emitidos indirectamente por un radionúclido emisor de positrones (trazador), se detectan en los escáneres de tomografía por emisión de positrones (PET) que se utilizan en los hospitales. Los escáneres PET crean imágenes tridimensionales detalladas de la actividad metabólica dentro del cuerpo humano. ^[44]

Una herramienta experimental llamada espectroscopia de aniquilación de positrones (PAS) se utiliza en la investigación de materiales para detectar variaciones en la densidad, defectos, desplazamientos o incluso vacíos dentro de un material sólido. ^[45]

Ver también

• Partícula beta
• Trampa de gas tampón para positrones
• Lista de partículas
• Positronio
• Cerebro positrónico

Referencias

1. La fuente original de CODATA es:

   Mohr, PJ; Taylor, BN; Newell, DB (2008). "Valores recomendados por CODATA de las constantes físicas fundamentales". Reseñas de Física Moderna . 80 (2): 633–730. arXiv : 0801.0028 . Código Bibliográfico : 2008RvMP ... 80..633M . CiteSeerX  10.1.1.150.1225 . doi : 10.1103 / RevModPhys.80.633 .
   Las constantes físicas individuales de CODATA están disponibles en:

   "La referencia del NIST sobre constantes, unidades e incertidumbre" . Instituto Nacional de Estándares y Tecnología . Consultado el 24 de octubre de 2013 .

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45. "Introducción a la investigación de positrones" . Colegio St. Olaf . Archivado desde el original el 5 de agosto de 2010.

Enlaces externos

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con positrones .

• ¿Qué es un positrón? (de las Preguntas frecuentes: Centro de Estudios de la Antimateria)
• Sitio web sobre positrones y antimateria
• Búsqueda de información de positrones en SLAC
• La aniquilación de positrones como método de física experimental utilizado en la investigación de materiales.
• Nuevo método de producción para producir grandes cantidades de positrones
• Sitio web sobre antimateria (positrones, positronio y antihidrógeno). Laboratorio de positrones, Como, Italia
• Sitio web de la AEgIS: Experimento Antimateria: Gravedad, Interferometría, Espectroscopia, CERN
• Sinopsis: Acelerador de partículas de mesa ... nuevo método de mesa para generar corrientes de electrones y positrones.