Positrón

El positrón o antielectrón es la antipartícula o la contraparte de antimateria del electrón. Tiene una carga eléctrica de +1 e, un espín de 1/2 (igual que el electrón) y 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 mediante la desintegración radiactiva de la emisión de positrones (a través de interacciones débiles) o mediante la 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 en el que proponía que los electrones pueden tener carga tanto positiva como negativa. Este artículo introdujo la ecuación de Dirac, una unificación de la mecánica cuántica, la relatividad especial y el entonces nuevo concepto de espín del electrón para explicar el efecto Zeeman. El documento no predijo explícitamente una nueva partícula, pero permitió que los electrones tuvieran energía positiva o negativa como soluciones. Hermann Weyl luego publicó un artículo discutiendo las implicaciones matemáticas de la solución de energía negativa. 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 permitía 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, tal transición aún no se había observado experimentalmente.

Dirac escribió un artículo de seguimiento en diciembre de 1929 que intentaba 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 tuviera una carga positiva". Afirmó además que todo el espacio podría considerarse como un "mar" de estados de energía negativa que se llenaron, para evitar que los electrones salten entre estados de energía positiva (carga eléctrica negativa) y estados de energía negativa (carga positiva). El documento también exploró la posibilidad de que el protón sea una isla en este mar, y que en realidad podría ser un electrón de energía negativa. Dirac reconoció que el hecho de que el protón tuviera una masa mucho mayor que el electrón era un problema, pero expresó su "esperanza"; que una futura teoría resolvería el problema.

Robert Oppenheimer argumentó firmemente en contra de que el protón sea la solución electrónica de energía negativa para la ecuación de Dirac. Afirmó que si lo fuera, el átomo de hidrógeno se autodestruiría rápidamente. Hermann Weyl en 1931 demostró que el electrón de energía negativa debe tener la misma masa que el electrón de energía positiva. Persuadido por el argumento de Oppenheimer y Weyl, Dirac publicó un artículo en 1931 que predecía la existencia de una partícula aún no observada a la que llamó "anti-electrón". que tendría la misma masa y carga opuesta que un electrón y que se aniquilarían mutuamente al entrar en contacto con un electrón.

Feynman, y antes Stueckelberg, propusieron una interpretación del positrón como un electrón que retrocede en el tiempo, reinterpretando las soluciones de energía negativa de la ecuación de Dirac. Los electrones que se mueven hacia atrás en el tiempo tendrían una carga eléctrica positiva. Wheeler invocó este concepto para explicar las propiedades idénticas compartidas por todos los electrones, sugiriendo que "todos son el mismo electrón". con una línea de mundo compleja que se interseca a sí misma. Yoichiro Nambu lo aplicó más tarde a toda la producción y aniquilación de pares de partículas y antipartículas, afirmando que "la eventual creación y aniquilación de pares que pueden ocurrir de vez en cuando no es creación o aniquilación, sino solo un cambio de dirección de partículas en movimiento"., del pasado al futuro, o del futuro al pasado." 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.

Pistas experimentales y descubrimiento

Las cámaras de nube Wilson solían ser detectores de partículas muy importantes en los primeros días de la física de partículas. Fueron usados en el descubrimiento de la positron, muón y kaon.

Varias fuentes han afirmado que Dmitri Skobeltsyn observó por primera vez el positrón mucho antes de 1930, o incluso en 1923. Afirman que mientras usaba una cámara de niebla de Wilson para estudiar el efecto Compton, Skobeltsyn detectó partículas que actuaban como electrones pero curvado 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 sobre la historia del descubrimiento de positrones de 1963, Norwood Russell Hanson ha dado un relato detallado 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. Más tarde, Skobeltsyn rechazó esta afirmación aún más enérgicamente, llamándola "nada más que pura tontería".

Skobeltsyn allanó el camino para el eventual descubrimiento del positrón mediante dos contribuciones importantes: agregar un campo magnético a su cámara de niebla (en 1925) , y al descubrir los rayos cósmicos de partículas cargadas, por lo que se le acredita en la conferencia Nobel de Carl Anderson. Skobeltzyn observó probables huellas de positrones en imágenes tomadas en 1931, pero no las identificó como tales en ese momento.

Del mismo modo, en 1929, Chung-Yao Chao, un estudiante graduado de Caltech, notó algunos resultados anómalos que indicaban que las partículas se comportaban como electrones, pero con una carga positiva, aunque los resultados no fueron concluyentes y el fenómeno no se persiguió.

Carl David Anderson descubrió el positrón el 2 de agosto de 1932, por lo que ganó el Premio Nobel de Física en 1936. Anderson no acuñó el término positrón, pero lo permitió por sugerencia del Physical Review a quien envió su artículo de descubrimiento a fines 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 rodeó este aparato, lo que provocó que las partículas se doblaran en diferentes direcciones en función de 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.

Anderson escribió en retrospectiva que el positrón podría haberse descubierto antes basándose en el trabajo de Chung-Yao Chao, si tan solo se hubiera seguido. Frédéric e Irène Joliot-Curie en París tenían evidencia de positrones en fotografías antiguas cuando aparecieron los resultados de Anderson, pero los descartaron como protones.

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.

Producción natural

Los positrones se producen, junto con los neutrinos, de forma natural en las desintegraciones β+ de isótopos radiactivos naturales (por ejemplo, potasio-40) y en las interacciones de los cuantos gamma (emitidos por núcleos radiactivos) con la materia. Los antineutrinos son otro tipo de antipartículas producidas por la radiactividad natural (desintegración β⁻). Muchos tipos diferentes de antipartículas también son producidos por (y contenidos en) los rayos cósmicos. 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. El módulo PAMELA también ha encontrado que existen antiprotones en los cinturones de Van Allen alrededor de la Tierra.

Las antipartículas, de las cuales las más comunes son los antineutrinos y los positrones debido a su baja masa, también se producen en cualquier ambiente con una temperatura suficientemente alta (energía media de partículas mayor que el umbral de producción de pares). Durante el período de la 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, también llamada asimetría bariónica, se atribuye a la violación CP: una violación de la simetría CP que relaciona la materia con la antimateria. El mecanismo exacto de esta violación durante la bariogénesis sigue siendo un misterio.

Producción de positrones a partir de
β⁺
lata de descomposición ser considerada tanto producción 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 vida que se presenta como un isótopo primordial de potasio. Aunque es un pequeño porcentaje de potasio (0,0117%), es el radioisótopo más abundante en el cuerpo humano. En un cuerpo humano de 70 kg (150 lb) de masa, se desintegran unos 4400 núcleos de ⁴⁰K por segundo. La actividad del potasio natural es de 31 Bq/g. Alrededor del 0,001% de estas desintegraciones de ⁴⁰K producen alrededor de 4000 positrones naturales por día en el cuerpo humano. 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 de exploración PET.

Observaciones recientes indican que los agujeros negros y las estrellas de neutrones producen grandes cantidades de plasma de positrones y electrones en chorros astrofísicos. Grandes nubes de plasma de positrones y electrones también se han asociado con estrellas de neutrones.

Observación en rayos cósmicos

Los experimentos con satélites han encontrado evidencia de positrones (así como algunos antiprotones) en los rayos cósmicos primarios, que representan menos del 1 % de las partículas en los rayos cósmicos primarios. Sin embargo, la fracción de positrones en los rayos cósmicos se ha medido más recientemente con mayor precisión, especialmente a niveles de energía mucho más altos, y se ha visto que la fracción de positrones es mayor en estos rayos cósmicos de energía más alta.

Estos no parecen ser productos de grandes cantidades de antimateria del Big Bang, ni de antimateria compleja en el universo (falta evidencia, ver más abajo). Más bien, la antimateria en los rayos cósmicos parece consistir solo de estas dos partículas elementales. Teorías recientes sugieren que la fuente de tales positrones puede provenir de la aniquilación de partículas de materia oscura, la aceleración de positrones a altas energías en objetos astrofísicos y la producción de positrones de alta energía en las interacciones de los núcleos de rayos cósmicos con el gas interestelar.

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 a 500 GeV. La fracción de positrones alcanza su punto máximo en un máximo de alrededor del 16% de los eventos totales de electrón+positrón, alrededor de una energía de 275 ± 32 GeV. A energías más altas, hasta 500 GeV, la proporción de positrones a electrones comienza a caer nuevamente. El flujo absoluto de positrones también comienza a caer antes de los 500 GeV, pero alcanza su punto máximo a energías mucho más altas que las energías de los electrones, que alcanzan su punto máximo alrededor de los 10 GeV. Se ha sugerido que estos resultados de interpretación se deben a la producción de positrones en eventos de aniquilación de partículas masivas de materia oscura.

Los positrones, como los antiprotones, no parecen originarse a partir de ninguna "antimateria" hipotética; regiones del universo. Por el contrario, no hay evidencia de núcleos atómicos de antimateria complejos, como los núcleos de antihelio (es decir, partículas anti-alfa), en los rayos cósmicos. Estos están siendo buscados activamente. Un prototipo del AMS-02 designado AMS-01 fue volado al espacio a bordo del Space Shuttle Discovery en STS- 91 en junio de 1998. Al no detectar ningún tipo de antihelio, el AMS-01 estableció un límite superior de 1,1×10⁻⁶ para la relación de flujo de antihelio a helio.

Producción artificial

Físicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California han utilizado un láser corto ultraintenso para irradiar un objetivo de oro de un milímetro de espesor y producir más de 100 000 millones de positrones. Actualmente, la importante producción de laboratorio de haces de positrones-electrones de 5 MeV permite la investigación de múltiples características, como cómo reaccionan los diferentes elementos 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).

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 las predicciones teóricas y buscar nuevos tipos de partículas.

El experimento ALPHA combina positrones con antiprotones para estudiar las propiedades del antihidrógeno.

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.

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.