Njegovo veličanstvo antimaterije: Pozitron i Pozitronijum

 

Pozitron (prva detektovana čestica antimaterije) je antičestica elektrona: ima naelektrisanje +1, spin 1/2, i masu jednaku masi elektrona. Kada se niskoenergijski pozitron sudari sa niskoenergejskim elektronom dolazi do njihove anhilacije pri čemu nastaju dva gama fotona. Kao i elektron spada u fermione. 

Simbol: e+, β+

Pozitron emituju neka nestabilna jezgra tokom radioaktivnog raspada. Može nastati i u sudaru visokoenergijskog fotona čija je energija veća od 2m_ec² = 2×0,511 MeV = 1,022 MeV (gde je m_e masa elektrona a c brzina svetlosti u vakuumu) sa naelektirsanom česticom, recimo atomskim jezgrom. Ovaj proces se naziva stvaranje parova jer u njemu nastaje pozitron-elektron. Postojanje pozitrona prvi je postulirao Pol Dirak 1928. godine. Pozitron je eksperimentalno detektovao Karl Anderson 1932. godine koji mu je i dao ime. Danas se pozitroni rutinski proizvode u pozitron emisionoj tomografiji koja se koristu za dijagnostiku u medicini i u fizičkim laboratorijama u eksperimentima sa elektron-pozitron sudaračima.

Godine 1928. Pol Dirak je objavio rad u kojem predlaže da elektroni mogu imati i pozitivno i negativno naelektrisanje. Ovaj rad je predstavio Dirakovu jednačinu, objedinjavanje kvantne mehanike, specijalne relativnosti i tada novi koncept spina elektrona da bi objasnio Zemanov efekat. Taj rad nije eksplicitno predvideo novu česticu, ali je dozvolio da elektroni imaju pozitivnu ili negativnu energiju kao rešenje. 

Kada je Dirac (1930) razvio svoju teoriju elektrona, shvatio je da su negativna energetska rešenja relativistički invarijantne talasne jednačine, u kojoj je ukupna energija E čestice sa masom mirovanja m povezana sa njenim linearnim impulsom p pomoću

ima realni fizički značaj.

Stoga je pretpostavio da 'more' elektrona sa negativnom energijom između - mc²  ije normalno bilo potpuno zauzeto u skladu sa Paulijevim principom isključenja i ne bi bilo vidljivo. Upražnjeno mesto u ovom shvatanju bi se, međutim, manifestovalo kao pozitivno naelektrisana čestica sa pozitivnom masom mirovanja za koju je Dirak, na osnovu neizračunatih korekcija Kulonove energije i tada poznatih čestica, pretpostavio da je proton. Ubrzo se shvatilo da to nije slučaj i da je teorija zapravo predvidela postojanje nove čestice sa masom mirovanja elektrona i jednakim, ali suprotnim naelektrisanjem – pozitronom.

Herman Vajl je zatim objavio rad u kome se raspravljalo o matematičkim implikacijama rešenja negativne energije. Rešenje sa pozitivnom energijom objasnilo je eksperimentalne rezultate, ali je Dirak bio zaintrigiran jednako važećim rešenjem negativne energije koje je matematički model dozvoljavao. Kvantna mehanika nije dozvolila da se rešenje negativne energije jednostavno zanemari, kao što je klasična mehanika često radila u takvim jednačinama: dualno rešenje je podrazumevalo mogućnost da elektron spontano skače između pozitivnih i negativnih energetskih stanja. Međutim, takva tranzicija još uvek nije bila primećena eksperimentalno.

Dirak je napisao prateći rad u decembru 1929. godine koji je pokušao da objasni neizbežno rešenje negativne energije za relativistički elektron. On je tvrdio da se „... elektron sa negativnom energijom kreće u spoljašnjem (elektromagnetnom) polju kao da nosi pozitivno naelektrisanje“.

Robert Openhajmer se snažno zalagao protiv toga da je proton rešenje za elektron negativne energije za Dirakovu jednačinu. On je tvrdio da ako bi to bio slučaj, atom vodonika bi se brzo samouništavao. Ubeđen Openhajmerovim argumentom, Dirak je 1931. godine objavio rad koji predviđa postojanje još nezapažene čestice koju je nazvao „anti-elektron“ koja bi imala istu masu i suprotan naboj od elektrona, i da bi se ona poništavala pri kontaktu sa elektronom.

Fejnman, i ranije Štjukelberg, predložili su tumačenje pozitrona kao elektrona koji se kreće unazad u vremenu, reinterpretirajući rešenje Dirakove jednačine negativne energije. Elektroni koji se kreću unazad u vremenu imali bi pozitivan električni naboj. Viler se pozvao na ovaj koncept da objasni identična svojstva koja dele svi elektroni, sugerišući da su "svi oni isti elektroni" sa svetskom linijom koja se samopreseca. Joičiro Nambu je kasnije to primenio na svu produkciju i anhilaciju parova čestica-antičestica, navodeći da "eventualno stvaranje i uništavanje parova koje se može desiti s vremena na vreme nije nikakvo stvaranje ili anhilacija, već samo promena smera pokretnih čestica, od prošlosti u budućnost, ili iz budoćnosti u prošlost". Vremensko gledište unazad se danas prihvata kao potpuno ekvivalentno drugim slikama, ali nema nikakve veze sa makroskopskim terminima "uzrok" i "efekat", koji se ne javljaju u mikroskopskom fizičkom opisu.

Nekoliko izvora tvrdi da je Dmitrij Skobelcin prvi put posmatrao pozitron mnogo pre 1930. godine, ili čak 1923. godine. Oni navode da dok je koristio Vilsonovu maglenu komoru u cilju proučavanja Komptonovog efekta, Skobelcin je otkrio čestice koje su delovale kao elektroni, ali su se savijale u suprotnom smeru u primenjenom magnetnom polju, i da je predstavio fotografije sa ovim fenomenom na konferenciji u Kembridžu, 23-27. jula 1928. U svojoj knjizi o istoriji otkrića pozitrona iz 1963. godine, Norvud Rasel Hanson je dao detaljan prikaz razloga za ovu tvrdnju, a odatle je možda i proistekao mit. On je isto tako naveo Skobelcijeov prigovor na to u apendiksu. Kasnije je Skobelcin još snažnije odbacio ovu tvrdnju, nazivajući je "ništa osim čiste besmislice".

Skobelcin je otvorio put konačnom otkriću pozitrona sa dva važna doprinosa: dodavanjem magnetnog polja u svoju maglenu komoru (1925) i otkrivanjem naelektrisanih čestica kosmičkih zraka, za šta mu je priznata zasluga u Nobelovom predavanju Karla Andersona. Skobelcin je primetio verovatne tragove pozitrona na slikama snimljenim 1931, ali i u to vreme nije identifikovao kao takve.

Slično tome, 1929. Čung-Jao Čao, postdiplomac na Kaltehu, primetio je neke anomalne rezultate koji su ukazivali da se čestice ponašaju kao elektroni, ali sa pozitivnim nabojem, mada su rezultati bili neubedljivi i fenomen nije dalje razmatran.

Karl Dejvid Anderson je otkrio pozitron 2. avgusta 1932, za šta je dobio Nobelovu nagradu za fiziku 1936. godine. Anderson nije skovao termin pozitron, ali je podržao predlog urednika časopisa Physical Review kome je podneo svoj rad o otkriću krajem 1932. Pozitron je bio prvi dokaz antimaterije i otkrive je kada je Anderson dozvolio kosmičkim zracima da prođu kroz maglenu komoru i olovno ploču. Magnet je okruživao ovaj aparat, uzrokujući da se čestice savijaju u različitim pravcima na osnovu njihovog električnog naboja. Jonski trag koji je ostavio svaki pozitron pojavio se na fotografskoj ploči sa zakrivljenošću koja odgovara odnosu mase i naelektrisanja elektrona, ali u pravcu koji je pokazao da je njegovo naelektrisanje pozitivno.

Anderson je retrospektivno napisao da je pozitron mogao biti otkriven ranije na osnovu dela Čung-Jao Čaoa, samo da je bio praćen. Frederik i Irena Žolio-Kiri u Parizu imali su dokaze o pozitronima na starim fotografijama kada su Andersenovi rezultati izašli, ali su ih odbacili kao protone.

Pozitron su takođe istovremeno otkrili Patrik Bleket i Đuzepe Okijalini u laboratoriji Kevendiš 1932. Bleket i Okijalini su odložili objavljivanje da bi dobili čvršće dokaze, tako da je Anderson uspeo da prvi objavi otkriće.

Godine 1934. Mohorović je predložio postojanje vezanog stanja pozitrona i elektrona, što bi, kako je on (netačno) sugerisao, moglo biti odgovorno za neobjašnjive karakteristike u spektrima koje emituju neke zvezde. Međutim, kako je rezimirao Kragh (1990), Mohorovićeve ideje o svojstvima ovog novog atoma bile su donekle nekonvencionalne, a naziv „elektrum“ koji mu je dao nije postao široko rasprostranjen, već je kasnije zamenjen sadašnjim nazivom pozitronijum. (Ruark, 1945), sa hemijskim simbolom Ps.

Fajnmanov dijagram koji prikazuje anihilaciju elektrona i pozitrona (antielektrona), stvarajući foton koji se kasnije raspada u novi par elektron-pozitron.

Drugi značajni razvoj događaja dogodio se 1940-ih. Godine 1949. DeBenedeti i saradnici su otkrili da dva gama zraka emitovana nakon anihilacije pozitrona u različitim čvrstim telima odstupaju od precizne kolinearnosti, tj. ugao između njih nije tačno 180, kao što bi se očekivalo od anihilacije para elektron-pozitron u mirovanju. Iako je ovo odstupanje iznosilo samo nekoliko miliradijana, ispravno je tumačeno kao posledica uglavnom efekta kretanja vezanih elektrona u materijalu, pri čemu je pozitron u suštini termalizovan. Nešto ranije, DuMond, Lind i Votson (1949) su izvršili tačno merenje energije i širine linije gama zraka anihilacije pomoću kristalnog spektrometra. Otkrili su da je širina veća od one koja je povezana sa instrumentalnom rezolucijom, i to su pripisali Doplerovom širenju koje nastaje pretežno iz elektronskog kretanja. Ova istraživanja su postavila temelje za kasniji napredak u fizici čvrstog stanja pozitrona, koji je sam po sebi trebalo da podrži razvoj niskoenergetskih snopova pozitrona.Godine 1946. Vheeler je preduzeo teorijsku studiju stabilnosti različitih sistema pozitrona i elektrona, koje je nazvao polielektronima. Otkrio je, kao što se i očekivalo, da je pozitronijum vezan, ali i njegov negativni jon (e−e+e−). Ovaj entitet, Ps−, nije primećen sve do mnogo kasnije (Mills, 1981), nakon razvoja pozitronskih zraka.

Sam pozitronijum je na kraju 1951. otkrio Dojč i njegova svojstva su istraživana u elegantnoj seriji eksperimenata zasnovanih na anihilaciji pozitrona u gasovima. Ovaj napredak je stimulisao dalja eksperimentalna i teorijska proučavanja osnovnih svojstava osnovnog stanja pozitronijuma (posebno triplet stanja, orto-pozitronijum), uključujući hiperfinu strukturu, životni vek anihilacije, razjašnjavanje pravila selekcije koja regulišu anihilaciju i izračunavanje spektar energija fotona emitovanih u režimu anihilacije tri gama zraka.

Nedavna proizvodnja relativističkog antivodonika (Baur et al., 1996; Blanford et al., 1998), i izgledi za njegovo formiranje pri veoma niskim energijama, kada bi detaljna spektroskopska i druga proučavanja ovog sistema trebalo da budu moguća, čini odgovarajućim da se pomene antiproton. Ovu česticu, čije je postojanje bilo predviđeno analogijom sa pozitronom, otkrili su 1955. Čemberlen, Segrže, Vajgand i Ipsilantis koristeći 6,2 GeV Bevatron akcelerator u Laboratoriji Lorens Berkli, Kalifornija, SAD.

Za fiziku sudara pozitrona, revolucionarni napredak je došao sa otkrićem i razvojem niskoenergetskih snopova pozitrona. U istraživanju sekundarne elektronske emisije pozitrona, Cherri (1958) je otkrio da su 'pozitroni u energetskom intervalu 0-5 eV, veoma brojni u poređenju sa onima u jednakim intervalima sa nešto višim energijama, emitovani iz površine hroma na liskunu kada je bila ozračena beta spektrom pozitrona 64Cu.

Odlučujući pomak u razvoju pozitronskih snopova verovatno je došao sa radom Canter et al. (1972) koji je otkrio dimljeni MgO moderator. Iako samo veoma mali deo, , od incidentne ß+ aktivnosti je pretvoren u upotrebljiv niskoenergetski snop, ovaj napredak je utro put za brz napredak koji je usledio. Kasnije u istoj deceniji, fenomen pozitronske emisije i reemisije sa različitih površina, pažljivo pripremljenih u uslovima ultra-visokog vakuuma, istraživali su uglavnom Mils i njegovi saradnici (videti npr. Mills, 1983a), a fizičko razumevanje je bilo dobijeno iz uključenih procesa. Kako je ovo razumevanje raslo, tako je rasla i efikasnost umerenosti (kao što je poznat proces konverzije od brzih do sporih pozitrona); ovo je kulminiralo čvrstim neonskim moderatorom (Mills i Gullikson, 1986) i njegovim varijantama, koje imaju efikasnost umerenja blizu , što je za šest redova magnitude veće od one u osnovnom zapažanju od strane Cherri (1958).

Pozitroni se proizvode zajedno sa neutrinima prirodno u β+ raspadima radioaktivnih izotopa koji se javljaju u prirodi (na primer, kalijum-40) i u interakcijama gama kvanta (koje emituju radioaktivna jezgra) sa materijom. Antineutrini su još jedna vrsta antičestica proizvedenih prirodnom radioaktivnošću (β− raspad). Mnoge različite vrste antičestica se takođe proizvode (i sadrže se) kosmičkim zracima. U istraživanju koje je 2011. objavilo Američko astronomsko društvo, otkriveni su pozitroni koji su poticali iznad oblaka sa grmljavinom; pozitroni se proizvode u bljeskovima gama zraka koje stvaraju elektroni ubrzani jakim električnim poljima u oblacima. Takođe je otkriveno da antiprotoni postoje u Van Alenovim pojasevima oko Zemlje pomoću modula PAMELA.

Antičestice, od kojih su najčešći antineutrini i pozitroni zbog njihove male mase, takođe se proizvode u bilo kom okruženju sa dovoljno visokom temperaturom (srednja energija čestica je veća od praga proizvodnje para). Tokom perioda bariogeneze, kada je univerzum bio izuzetno vruć i gust, materija i antimaterija su se neprestano proizvodili i uništavali. Prisustvo preostale materije i odsustvo preostale antimaterije koja se može detektovati, koja se takođe naziva barionska asimetrija, pripisuje se CP-kršenju: kršenju CP-simetrije koja se odnosi na materiju i antimateriju. Tačan mehanizam ovog kršenja tokom bariogeneze ostaje misterija.

Proizvodnja pozitrona iz radioaktivnog β+ raspada može se smatrati i veštačkom i prirodnom proizvodnjom, jer stvaranje radioizotopa može biti prirodno ili veštačko. Možda najpoznatiji radioizotop koji se javlja u prirodi koji proizvodi pozitrone je kalijum-40, dugovečni izotop kalijuma koji se javlja kao primordijalni (prapočetni) izotop kalijuma. Iako je u pitanju mali procenat kalijuma (0,0117%), on je pojedinačno najzastupljeniji radioizotop u ljudskom telu. U ljudskom telu od 70 kg (150 lb) mase, oko 4.400 jezgara ⁴⁰K se raspada u sekundi. Aktivnost prirodnog kalijuma je 31 Bq/g. Oko 0,001% od ovih ⁴⁰K raspada proizvodi oko 4000 prirodnih pozitrona dnevno u ljudskom telu. Ovi pozitroni ubrzo pronađu elektron, podvrgnu se anihilaciji i proizvode parove fotona od 511 keV, u procesu sličnom (ali mnogo nižeg intenziteta) onom koji se dešava tokom PET skeniranja nuklearne medicine.

Nedavna zapažanja pokazuju da crne rupe i neutronske zvezde proizvode ogromne količine pozitron-elektronske plazme u astrofizičkim mlazovima. Veliki oblaci pozitron-elektronske plazme takođe su povezani sa neutronskim zvezdama.

Satelitski eksperimenti su pronašli dokaze o pozitronima (kao i nekoliko antiprotona) u primarnim kosmičkim zracima, koji iznose manje od 1% čestica u primarnim kosmičkim zracima. Međutim, udeo pozitrona u kosmičkim zracima je nedavno meren sa poboljšanom tačnošću, posebno na mnogo višim nivoima energije, a udeo pozitrona je uočeno da je veći u ovim kosmičkim zracima veće energije.

Čini se da to nisu proizvodi velikih količina antimaterije iz Velikog praska, niti kompleksne antimaterije u univerzumu. Umesto toga, čini se da se antimaterija u kosmičkim zracima sastoji samo od ove dve elementarne čestice. Nedavne teorije sugerišu da izvor takvih pozitrona može doći od anihilacije čestica tamne materije, ubrzanja pozitrona do visokih energija u astrofizičkim objektima i proizvodnje pozitrona visoke energije u interakcijama jezgara kosmičkih zraka sa međuzvezdanim gasom.

Preliminarni rezultati alfa magnetnog spektrometra (AMS-02) koji trenutno radi na Međunarodnoj svemirskoj stanici pokazuju da pozitroni u kosmičkim zracima stižu bez usmerenosti i sa energijama u rasponu od 0,5 GeV do 500 GeV. Pozitronska frakcija ima maksimum od oko 16% ukupnih događaja elektron+pozitron, oko energije od 275 ± 32 GeV. Pri višim energijama, do 500 GeV, odnos pozitrona i elektrona ponovo počinje da opada. Apsolutni fluks pozitrona takođe počinje da opada pre 500 GeV, ali dostiže maksimum na energijama koje su daleko veće od energije elektrona, koje dostižu maksimum od oko 10 GeV. Pretpostavlja se da su ovi rezultati interpretacije posledica proizvodnje pozitrona u događajima anihilacije masivnih čestica tamne materije.

Čini se da pozitroni, kao i antiprotoni, ne potiču iz bilo kog hipotetičkog regiona „antimaterije“ u univerzumu. Naprotiv, nema dokaza o kompleksnim atomskim jezgrama antimaterije, kao što su jezgra antihelijuma (tj. anti-alfa čestice), u kosmičkim zracima. Za njima se aktivno traga. Prototip AMS-02 označen kao AMS-01, odleteo je u svemir na svemirskom šatlu Discoveri na letu STS-91 u junu 1998. Ne otkrivajući nikakav antihelijum, AMS-01 je uspostavio gornju granicu od 1.1×10⁻⁶  za odnos fluksa antihelijuma i helijuma.

Fizičari iz Nacionalne laboratorije Lorens Livermor u Kaliforniji koristili su kratak, ultra-intenzivan laser da ozrače zlatnu metu debljine milimetara i proizvedu više od 100 milijardi pozitrona. Trenutno značajna laboratorijska proizvodnja snopova pozitron-elektrona od 5 MeV omogućava istraživanje višestrukih karakteristika kao što su kako različiti elementi reaguju na interakcije ili udare pozitrona od 5 MeV, kako se energija prenosi na čestice i udarni efekat rafala gama zraka.

2023. godine, saradnja između CERN-a i Univerziteta u Oksfordu izvela je eksperiment u postrojenju HiRadMat u kojem su proizvedeni nanosekundni snopovi parova elektron-pozitron koji sadrže više od 10 triliona parova elektron-pozitron, tako da je stvorena prva "uparena plazma" (savršena simetrija mase i asimetrija naboja između elektrona i pozitrona koji ih čine) u laboratoriji sa dovoljnom gustinom da podrži kolektivno ponašanje plazme. Budući eksperimenti nude mogućnost proučavanja fizike relevantne za ekstremna astrofizička okruženja u kojima se stvaraju obilni parovi elektron-pozitron, kao što su rafali gama zraka, brzi radio rafali i blazar mlazovi.

Određene vrste eksperimenata sa akceleratorima čestica uključuju sudaranje pozitrona i elektrona pri relativističkim brzinama. Velika energija udara i međusobno uništavanje ovih suprotnosti materije/antimaterije stvaraju fontanu različitih subatomskih čestica. Fizičari proučavaju rezultate ovih sudara kako bi testirali teorijska predviđanja i tražili nove vrste čestica.

ALPHA eksperiment kombinuje pozitrone sa antiprotonima da bi se proučavala svojstva antivodonika.

Gama zraci, koje emituje indirektno radionuklid koji emituje pozitron (traser), detektuju se u skenerima pozitronske emisione tomografije (PET) koji se koriste u bolnicama. PET skeneri stvaraju detaljne trodimenzionalne slike metaboličke aktivnosti u ljudskom telu.

Eksperimentalni alat koji se zove spektroskopija pozitronske anihilacije (PAS) koristi se u istraživanju materijala za otkrivanje varijacija u gustini, defektima, pomeranjima ili čak prazninama unutar čvrstog materijala.