Позитрон: Античастица электрона

Введение

Античастица электрона

Позитрон, или антиэлектрон, — это частица с электрическим зарядом +1e, спином 1/2 (как у электрона) и той же массой, что и электрон. Он является античастицей (антиматерией) электрона. При столкновении позитрона с электроном происходит аннигиляция. Если это столкновение происходит при низких энергиях, результатом является образование двух или более фотонов. Позитроны могут создаваться при позитронном бета-распаде (через слабые взаимодействия) или при рождении пар из достаточно энергичного фотона, взаимодействующего с атомом в веществе.

Теория

В 1928 году Пол Дирак опубликовал статью, в которой предположил, что электроны могут обладать как положительным, так и отрицательным зарядом. В этой статье было представлено уравнение Дирака – объединение квантовой механики, специальной теории относительности и новой концепции спина электрона, призванное объяснить эффект Зеемана. Статья не предсказывала явно существование новой частицы, но допускала в качестве решений электроны с положительной или отрицательной энергией. Герман Вейль затем опубликовал статью, посвященную математическим последствиям решения с отрицательной энергией. Решение с положительной энергией объясняло экспериментальные результаты, но Дирак был озадачен столь же обоснованным 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 подобных уравнениях; двойственное решение подразумевало возможность спонтанного перехода электрона между состояниями с положительной и отрицательной энергией. Однако экспериментально подобный переход еще не наблюдался. Он пытался объяснить неизбежное решение с отрицательной энергией для релятивистского электрона, утверждая, что "электрон с отрицательной энергией движется во внешнем [электромагнитном] поле так, словно несет положительный заряд". Он также утверждал, что все пространство можно рассматривать как "море" состояний с отрицательной энергией, заполненных для предотвращения перехода электронов между состояниями с положительной энергией (отрицательный электрический заряд) и состояниями с отрицательной энергией (положительный заряд). В статье также рассматривалась возможность того, что протон является своего рода "островом" в этом море и что он может быть электроном с отрицательной энергией. Дирак признал, что значительно большая масса протона по сравнению с электроном является проблемой, но выразил "надежду", что будущая теория разрешит ее. Роберт Оппенгеймер решительно возражал против того, чтобы протон был решением уравнения Дирака, представляющим собой электрон с отрицательной энергией. Он утверждал, что в этом случае атом водорода быстро бы саморазрушился. Вейль в 1931 году показал, что электрон с отрицательной энергией должен иметь ту же массу, что и электрон с положительной энергией. Убежденный аргументами Оппенгеймера и Вейля, Дирак опубликовал в 1931 году статью, в которой предсказывал существование еще не обнаруженной частицы, которую он назвал "антиэлектроном", – частицы с той же массой, что и у электрона, но с противоположным зарядом, которая при контакте с электроном должна взаимно аннигилировать. Ричард Фейнман, а ранее Эрнст Штюкельберг, предложили интерпретацию позитрона как электрона, движущегося назад во времени, переосмыслив решения с отрицательной энергией уравнения Дирака. Электроны, движущиеся назад во времени, должны иметь положительный электрический заряд. Джон Арчибальд Уилер использовал эту концепцию для объяснения идентичных свойств всех электронов, предположив, что "они все – один и тот же электрон" с сложной, самопересекающейся мировой линией. Позже Йоитиро Намбу применил ее ко всему производству и аннигиляции пар частица-античастица, заявив, что "в конечном счете создание и аннигиляция пар, которые могут происходить время от времени, – это не создание или аннигиляция, а лишь изменение направления движения частиц, из прошлого в будущее или из будущего в прошлое". Точка зрения, согласно которой движение происходит назад во времени, в настоящее время считается полностью эквивалентной другим представлениям, но она не имеет отношения к макроскопическим понятиям "причина" и "следствие", которые не встречаются в микроскопическом физическом описании.

In 1928, Paul Dirac published a paper proposing that electrons can have both a positive and negative charge. This paper introduced the Dirac equation, a unification of quantum mechanics, special relativity, and the then new concept of electron spin to explain the Zeeman effect. The paper did not explicitly predict a new particle but did allow for electrons having either positive or negative energy as solutions. Hermann Weyl then published a paper discussing the mathematical implications of the negative energy solution. The positive energy solution explained experimental results, but Dirac was puzzled by the equally valid negative energy solution that the mathematical model allowed. Quantum mechanics did not allow the negative energy solution to simply be ignored, as classical mechanics often did in such equations; the dual solution implied the possibility of an electron spontaneously jumping between positive and negative energy states. However, no such transition had yet been observed experimentally. that attempted to explain the unavoidable negative energy solution for the relativistic electron. He argued that " an electron with negative energy moves in an external [electromagnetic] field as though it carries a positive charge." He further asserted that all of space could be regarded as a "sea" of negative energy states that were filled, so as to prevent electrons jumping between positive energy states (negative electric charge) and negative energy states (positive charge). The paper also explored the possibility of the proton being an island in this sea, and that it might actually be a negative energy electron. Dirac acknowledged that the proton having a much greater mass than the electron was a problem, but expressed "hope" that a future theory would resolve the issue. Robert Oppenheimer argued strongly against the proton being the negative energy electron solution to Dirac's equation. He asserted that if it were, the hydrogen atom would rapidly self destruct. Weyl in 1931 showed that the negative energy electron must have the same mass as that of the positive energy electron. Persuaded by Oppenheimer's and Weyl's argument, Dirac published a paper in 1931 that predicted the existence of an as yet unobserved particle that he called an "anti electron" that would have the same mass and the opposite charge as an electron and that would mutually annihilate upon contact with an electron. Richard Feynman, and earlier Ernst Stueckelberg, proposed an interpretation of the positron as an electron moving backward in time, reinterpreting the negative energy solutions of the Dirac equation. Electrons moving backward in time would have a positive electric charge. John Archibald Wheeler invoked this concept to explain the identical properties shared by all electrons, suggesting that "they are all the same electron" with a complex, self intersecting worldline. Yoichiro Nambu later applied it to all production and annihilation of particle antiparticle pairs, stating that "the eventual creation and annihilation of pairs that may occur now and then is no creation or annihilation, but only a change of direction of moving particles, from the past to the future, or from the future to the past." The backwards in time point of view is nowadays accepted as completely equivalent to other pictures, but it does not have anything to do with the macroscopic terms "cause" and "effect", which do not appear in a microscopic physical description.

Экспериментальные подсказки и открытия

Несколько источников утверждают, что Дмитрий Скобельцын впервые наблюдал позитрон задолго до 1930 года, или даже в 1923 году. Они утверждают, что, используя облачную камеру Уилсона для изучения эффекта Комптона, Скобельцын обнаружил частицы, которые вели себя как электроны, но искривлялись в противоположном направлении в приложенном магнитном поле, и представил фотографии этого явления на конференции в Кембриджском университете 23–27 июля 1928 года. В своей книге об истории открытия позитрона, опубликованной в 1963 году, Норвуд Рассел Хансон подробно описал причины этих утверждений, и это, возможно, послужило источником мифа. Однако он также представил возражения Скобельцина в приложении. Позже Скобельцын ещё более категорично отверг эти заявления, назвав их «чистой бессмыслицей». Скобельцын подготовил почву для последующего открытия позитрона двумя важными вкладами: добавлением магнитного поля к своей облачной камере (в 1925 году) и открытием заряженных частиц космических лучей, за что ему отдали должное в Нобелевской лекции Карла Дэвида Андерсона. Скобельцын наблюдал вероятные следы позитронов на снимках, сделанных в 1931 году, но в то время не идентифицировал их как таковые. Аналогично, в 1929 году Чун Яо Чао, китайский аспирант в Калифорнийском технологическом институте, заметил некоторые аномальные результаты, указывающие на частицы, ведущие себя как электроны, но с положительным зарядом, хотя результаты были неубедительными и дальнейшего изучения не получили. Пятьдесят лет спустя Андерсон признал, что его открытие было вдохновлено работой его однокурсника из Калтеха, Чунг Яо Чао, чьи исследования легли в основу большей части работы Андерсона, но в то время не были должным образом оценены. Андерсон открыл позитрон 2 августа 1932 года, за что получил Нобелевскую премию по физике в 1936 году. Андерсон не ввёл термин «позитрон», но разрешил его использование по предложению редактора журнала Physical Review, которому он представил свою работу в конце 1932 года. Позитрон стал первым доказательством существования антиматерии и был обнаружен, когда Андерсон пропустил космические лучи через облачную камеру и свинцовую пластину. Магнит, окружавший эту установку, заставлял частицы отклоняться в разные стороны в зависимости от их электрического заряда. Ионный след, оставленный каждым позитроном, появлялся на фотографической пластине с кривизной, соответствующей отношению массы к заряду электрона, но в направлении, указывающем на положительный заряд. Андерсон позже писал, что позитрон мог быть обнаружен раньше, основываясь на работе Чунг Яо Чао, если бы её продолжили изучать.

Several sources have claimed that Dmitri Skobeltsyn first observed the positron long before 1930, or even as early as 1923. They state that while using a Wilson cloud chamber in order to study the Compton effect, Skobeltsyn detected particles that acted like electrons but curved in the opposite direction in an applied magnetic field, and that he presented photographs with this phenomenon in a conference in the University of Cambridge, on 23–27 July 1928. In his book on the history of the positron discovery from 1963, Norwood Russell Hanson has given a detailed account of the reasons for this assertion, and this may have been the origin of the myth. But he also presented Skobeltsyn's objection to it in an appendix. Later, Skobeltsyn rejected this claim even more strongly, calling it "nothing but sheer nonsense". 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), and by discovering charged particle cosmic rays, for which he is credited in Carl David Anderson's Nobel lecture. Skobeltzyn did observe likely positron tracks on images taken in 1931, 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. 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. Anderson discovered the positron on 2 August 1932, for which he won the Nobel Prize for Physics in 1936. 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. 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.

Естественное производство

Позитроны вместе с нейтрино образуются естественным образом при β+ распаде естественно встречающихся радиоактивных изотопов (например, калия-40) и при взаимодействии гамма-квантов (излучаемых радиоактивными ядрами) с веществом. Антинейтрино — это другой тип античастиц, образующихся в результате естественной радиоактивности (β− распада). Многие различные виды античастиц также производятся (и содержатся) в космических лучах. В исследовании, опубликованном в 2011 году Американским астрономическим обществом, были обнаружены позитроны, возникающие над грозовыми облаками; позитроны образуются во вспышках гамма-лучей, создаваемых электронами, ускоренными сильными электрическими полями в облаках. Антипротоны также обнаружены в поясах Ван Аллена вокруг Земли модулем PAMELA. Античастицы, наиболее распространенными из которых являются антинейтрино и позитроны из-за их малой массы, также производятся в любой среде с достаточно высокой температурой (средняя энергия частицы превышает порог образования пары). В период бариогенеза, когда Вселенная была чрезвычайно горячей и плотной, материя и антиматерия постоянно производились и аннигилировали. Наличие остаточной материи и отсутствие обнаруживаемой остаточной антиматерии, также называемой барионной асимметрией, приписывается нарушению CP-симметрии: нарушению симметрии CP, связывающей материю и антиматерию. Точный механизм этого нарушения во время бариогенеза остается загадкой. Образование позитронов при радиоактивном распаде можно рассматривать как искусственный, так и естественный процесс, поскольку получение радиоизотопа может быть как естественным, так и искусственным. Вероятно, наиболее известный естественный радиоизотоп, производящий позитроны, — это калий-40, долгоживущий изотоп калия, существующий как первичный изотоп калия. Несмотря на то, что его доля в калии невелика (0,0117%), это наиболее распространенный радиоизотоп в организме человека. В организме человека определенной массы около 4400 ядер калия-40 распадаются каждую секунду. Активность природного калия составляет 31 Бк/г. Около 0,001% этих распадов калия-40 производят примерно 4000 естественных позитронов в день в организме человека. Эти позитроны вскоре находят электрон, аннигилируют и производят пары фотонов с энергией 511 кэВ, в процессе, аналогичном (но гораздо менее интенсивном), чем при ПЭТ-сканировании в ядерной медицине. Недавние наблюдения указывают на то, что черные дыры и нейтронные звезды производят огромное количество позитронно-электронной плазмы в астрофизических джетах. Большие облака позитронно-электронной плазмы также связаны с нейтронными звездами.

Positrons are produced, together with neutrinos naturally in β+ decays of naturally occurring radioactive isotopes (for example, potassium 40) and in interactions of gamma quanta (emitted by radioactive nuclei) with matter. Antineutrinos are another kind of antiparticle produced by natural radioactivity (β− decay). Many different kinds of antiparticles are also produced by (and contained in) cosmic rays. In research published in 2011 by the American Astronomical Society, positrons were discovered originating above thunderstorm clouds; positrons are produced in gamma ray flashes created by electrons accelerated by strong electric fields in the clouds. Antiprotons have also been found to exist in the Van Allen Belts around the Earth by the PAMELA module. Antiparticles, of which the most common are antineutrinos and positrons due to their low mass, are also produced in any environment with a sufficiently high temperature (mean particle energy greater than the pair production threshold). During the period of baryogenesis, when the universe was extremely hot and dense, matter and antimatter were continually produced and annihilated. The presence of remaining matter, and absence of detectable remaining antimatter, also called baryon asymmetry, is attributed to CP violation: a violation of the CP symmetry relating matter to antimatter. The exact mechanism of this violation during baryogenesis remains a mystery. Positron production from radioactive decay can be considered both artificial and natural production, as the generation of the radioisotope can be natural or artificial. Perhaps the best known naturally occurring radioisotope which produces positrons is potassium 40, a long lived isotope of potassium which occurs as a primordial isotope of potassium. Even though it is a small percentage of potassium (0.0117%), it is the single most abundant radioisotope in the human body. In a human body of mass, about 4,400 nuclei of 40K decay per second. The activity of natural potassium is 31 Bq/g. About 0.001% of these 40K decays produce about 4000 natural positrons per day in the human body. These positrons soon find an electron, undergo annihilation, and produce pairs of 511 keV photons, in a process similar (but much lower intensity) to that which happens during a PET scan nuclear medicine procedure. Recent observations indicate black holes and neutron stars produce vast amounts of positron electron plasma in astrophysical jets. Large clouds of positron electron plasma have also been associated with neutron stars.

Наблюдения в космических лучах

Спутниковые эксперименты обнаружили свидетельства существования позитронов (а также нескольких антипротонов) в первичных космических лучах, составляющих менее 1% от общего числа частиц в этих лучах. Однако, в последнее время доля позитронов в космических лучах была измерена с большей точностью, особенно при значительно более высоких энергиях, и было обнаружено, что доля позитронов возрастает в космических лучах с более высокой энергией. Эти позитроны, по всей видимости, не являются продуктом большого количества антиматерии, образовавшейся в результате Большого взрыва, или сложной антиматерии во Вселенной (доказательств которой нет, см. ниже). Скорее, антиматерия в космических лучах, по-видимому, состоит только из этих двух элементарных частиц. Современные теории предполагают, что источником этих позитронов может быть аннигиляция частиц темной материи, ускорение позитронов до высоких энергий в астрофизических объектах и образование позитронов высокой энергии при взаимодействии ядер космических лучей с межзвездным газом. Предварительные результаты, полученные с помощью действующего в настоящее время Альфа-магнитного спектрометра (AMS 02) на борту Международной космической станции, показывают, что позитроны в космических лучах приходят без какой-либо предпочтительной направленности и имеют энергии в диапазоне от 0,5 до 500 ГэВ. Доля позитронов достигает максимума примерно в 16% от общего числа электронно-позитронных событий при энергии 275 ± 32 ГэВ. При энергиях выше 500 ГэВ отношение позитронов к электронам снова начинает уменьшаться. Абсолютный поток позитронов также начинает снижаться до 500 ГэВ, но достигает пика при энергиях, значительно превышающих энергии электронов, которые достигают пика около 10 ГэВ. Предполагается, что эти результаты могут быть объяснены образованием позитронов в результате аннигиляции массивных частиц темной материи. Позитроны, как и антипротоны, не происходят из каких-либо гипотетических областей "антивещества" во Вселенной. Напротив, нет никаких свидетельств существования сложных атомных ядер антивещества, таких как ядра антигелия (т.е. анти-альфа-частицы), в космических лучах. Их активно пытаются обнаружить. Прототип AMS 02, обозначенный как AMS 01, был выведен в космос на борту STS 91 в июне 1998 года. Не обнаружив антигелия, AMS 01 установил верхний предел для отношения потоков антигелия к гелию, равный 1,1 × 10−6.

Satellite experiments have found evidence of positrons (as well as a few antiprotons) in primary cosmic rays, amounting to less than 1% of the particles in primary cosmic rays. However, the fraction of positrons in cosmic rays has been measured more recently with improved accuracy, especially at much higher energy levels, and the fraction of positrons has been seen to be greater in these higher energy cosmic rays. 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. Preliminary results from the presently operating Alpha Magnetic Spectrometer (AMS 02) on board the International Space Station show that positrons in the cosmic rays arrive with no directionality, and with energies that range from 0.5 GeV to 500 GeV. Positron fraction peaks at a maximum of about 16% of total electron+positron events, around an energy of 275 ± 32 GeV. At higher energies, up to 500 GeV, the ratio of positrons to electrons begins to fall again. The absolute flux of positrons also begins to fall before 500 GeV, but peaks at energies far higher than electron energies, which peak about 10 GeV. These results on interpretation have been suggested to be due to positron production in annihilation events of massive dark matter particles. Positrons, like anti protons, do not appear to originate from any hypothetical "antimatter" regions of the universe. On the contrary, there is no evidence of complex antimatter atomic nuclei, such as antihelium nuclei (i. e., anti alpha particles), in cosmic rays. These are actively being searched for. A prototype of the AMS 02 designated AMS 01, was flown into space aboard the on STS 91 in June 1998. By not detecting any antihelium at all, the AMS 01 established an upper limit of 1.1×10−6 for the antihelium to helium flux ratio.

Искусственное производство

Физики из Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора в Калифорнии использовали короткий, ультраинтенсивный лазер для облучения золотой мишени толщиной в миллиметр и получили более 100 миллиардов позитронов. В настоящее время значительное лабораторное производство пучков электронов-позитронов с энергией 5 МэВ позволяет исследовать различные характеристики, такие как реакция различных элементов на взаимодействия с позитронами 5 МэВ, передачу энергии частицам и ударный эффект гамма-всплесков. В 2023 году коллаборация CERN и Оксфордского университета провела эксперимент на установке HiRadMat, в ходе которого были созданы пучки электрон-позитронных пар длительностью в наносекунды, содержащие более 10 триллионов электрон-позитронных пар, что позволило создать первую в лаборатории "парную плазму" с достаточной плотностью для поддержания коллективного поведения плазмы. Будущие эксперименты открывают возможность изучения физики, релевантной экстремальным астрофизическим средам, где генерируется большое количество электрон-позитронных пар, таким как гамма-всплески, быстрые радиовсплески и струи блазаров.

Приложения

Некоторые виды экспериментов с ускорителями частиц включают столкновение позитронов и электронов на релятивистских скоростях. Высокая энергия столкновения и взаимная аннигиляция этих частиц материи и антиматерии создают множество разнообразных субатомных частиц. Физики изучают результаты этих столкновений для проверки теоретических предсказаний и поиска новых типов частиц. Эксперимент ALPHA объединяет позитроны с антипротонами для изучения свойств антиводорода. Гамма-лучи, косвенно испускаемые позитронно-излучающим радионуклидом (трассером), регистрируются в позитронно-эмиссионных томографах (ПЭТ), используемых в больницах. ПЭТ-сканеры создают детальные трехмерные изображения метаболической активности в организме человека. Экспериментальный метод, называемый спектроскопией аннигиляции позитронов (PAS), применяется в материаловедении для обнаружения изменений плотности, дефектов, сдвигов или даже пустот в твердых телах.