Pósitron
O pósitron ou antielétron é a antipartícula (contraparte da antimatéria) do elétron. Ele tem uma carga elétrica de +1 e, um spin de 1/2 (o mesmo do elétron) e a mesma massa de um elétron. Quando um pósitron colide com um elétron, ocorre a aniquilação. Se essa colisão ocorrer em baixas energias, resulta na produção de dois ou mais fótons.
Os pósitrons podem ser criados por decaimento radioativo por emissão de pósitrons (através de interações fracas) ou pela produção de pares a partir 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 cargas positivas e negativas. Este artigo introduziu 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 explicava 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 de energia negativa fosse simplesmente ignorada, como a mecânica clássica costumava fazer em tais equações; a solução dual implicava a possibilidade de um elétron saltar espontaneamente entre estados de energia positivos e negativos. No entanto, tal transição ainda não havia sido observada experimentalmente.
Dirac escreveu um artigo de acompanhamento em dezembro de 1929 que tentou explicar a inevitável solução de energia negativa para o elétron relativístico. Ele argumentou que "... um elétron com energia negativa se move em um campo externo [eletromagnético] 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 pulassem 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, na verdade, 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" 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. Hermann Weyl em 1931 mostrou que o elétron de energia negativa deve ter a mesma massa que a do elétron de energia positiva. Persuadido pelo argumento de Oppenheimer e Weyl, 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 a carga oposta de um elétron e que se aniquilariam mutuamente ao entrar em contato com um elétron.
Feynman, e anteriormente Stueckelberg, propuseram uma interpretação do pósitron como um elétron se movendo para trás no tempo, reinterpretando as soluções de energia negativa da equação de Dirac. Elétrons se movendo para trás no tempo teriam uma carga elétrica positiva. Wheeler invocou esse conceito para explicar as propriedades idênticas compartilhadas por todos os elétrons, sugerindo que "eles são todos o mesmo elétron" com uma linha de mundo complexa e auto-interseccionada. Yoichiro Nambu posteriormente o aplicou a toda produção e aniquilação de pares partícula-antipartícula, afirmando que "a eventual criação e aniquilação de pares que podem ocorrer de vez em quando não é criação ou aniquilação, mas apenas uma mudança de direção de partículas em movimento"., do passado para o futuro, ou do futuro para o passado." O retrocesso no ponto de vista do 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 descobertas
Várias fontes afirmaram que Dmitri Skobeltsyn observou pela primeira vez o pósitron 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 curvado na 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 do pósitron de 1963, Norwood Russell Hanson deu 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 em um apêndice. Mais tarde, Skobeltsyn rejeitou essa afirmação ainda mais fortemente, chamando-a de "nada além de um absurdo absoluto".
Skobeltsyn abriu o caminho para a eventual descoberta do pósitron com duas contribuições importantes: adicionando um campo magnético à sua câmara de nuvem (em 1925) , e descobrindo raios cósmicos de partículas carregadas, pelos quais ele é creditado na palestra Nobel de Carl Anderson. Skobeltzyn observou prováveis 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 da Caltech, notou alguns resultados anômalos que indicavam partículas se comportando como elétrons, mas com carga positiva, embora os resultados fossem inconclusivos e o fenômeno não fosse investigado.
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 Physical Review a quem ele apresentou seu artigo de descoberta no final de 1932. O pósitron foi a primeira evidência de antimatéria e foi descoberto quando Anderson permitiu que raios cósmicos passassem por uma câmara de nuvem e uma placa de chumbo. Um ímã envolveu esse aparato, fazendo com que as partículas se dobrassem em direções diferentes com base em sua carga elétrica. A trilha de íons deixada por cada pósitron apareceu na placa fotográfica com uma curvatura correspondente à relação 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 anteriormente com base no trabalho de Chung-Yao Chao, se tivesse sido seguido. Frédéric e Irène Joliot-Curie, em Paris, tinham evidências de pósitrons em fotografias antigas quando os resultados de Anderson foram divulgados, 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, juntamente com os neutrinos, naturalmente em decaimentos β+ de isótopos radioativos naturais (por exemplo, potássio-40) e em interações de quanta gama (emitidos por núcleos radioativos) com a matéria. Os antineutrinos são outro tipo de antipartícula produzida pela radioatividade natural (decaimento β−). Muitos tipos diferentes de antipartículas também são produzidos por (e contidos em) raios cósmicos. Em pesquisa publicada em 2011 pela American Astronomical Society, foram descobertos pósitrons originários de nuvens de tempestade; os pósitrons são produzidos em flashes de raios gama criados por elétrons acelerados por fortes campos elétricos nas nuvens. Antiprótons também foram encontrados nos cinturões de Van Allen ao redor da Terra pelo módulo PAMELA.
As antipartículas, das quais os mais comuns são os antineutrinos e pósitrons devido à sua baixa massa, também são produzidas em qualquer ambiente com temperatura suficientemente alta (energia média da partícula maior que o limite 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 CP relacionando matéria com antimatéria. O mecanismo exato dessa violação durante a bariogênese permanece um mistério.
Produção de pósitrons radioativos
β+
a deterioração 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 vida longa que ocorre como um isótopo primordial de 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 40K decaem por segundo. A atividade do potássio natural é de 31 Bq/g. Cerca de 0,001% desses decaimentos de 40K produzem cerca de 4.000 pósitrons naturais por dia no corpo humano. Esses pósitrons logo encontram um elétron, sofrem aniquilação e produzem pares de fótons de 511 keV, em um processo semelhante (mas de intensidade muito menor) ao que ocorre durante um procedimento de medicina nuclear de PET scan.
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
Experiências de satélite encontraram evidências de pósitrons (assim como alguns antiprótons) em raios cósmicos primários, totalizando menos de 1% das partículas em raios cósmicos primários. No entanto, a fração de pósitrons em raios cósmicos foi medida mais recentemente com precisão aprimorada, especialmente em níveis de energia muito mais altos, e a fração de pósitrons tem sido maior nesses raios cósmicos de energia mais alta.
Estes não parecem ser produtos de grandes quantidades de antimatéria do Big Bang, ou mesmo antimatéria complexa no universo (falta evidência disso, veja abaixo). Em vez disso, a antimatéria nos raios cósmicos parece consistir apenas dessas duas partículas elementares. Teorias recentes sugerem que a fonte de tais pósitrons pode vir da aniquilação de partículas de matéria escura, aceleração de pósitrons a altas energias em objetos astrofísicos e produção de pósitrons de alta energia nas interações de núcleos de raios cósmicos com gás interestelar.
Resultados preliminares do Espectrômetro Magnético Alfa atualmente em operação (AMS-02) 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 para 500 GeV. A fração de pósitrons atinge 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 que as energias de elétrons, que atingem o pico em torno de 10 GeV. Sugere-se que esses resultados na interpretação sejam devidos à produção de pósitrons em eventos de aniquilação de partículas massivas de matéria escura.
Os pósitrons, assim como os antiprótons, não parecem se originar de nenhuma "antimatéria" regiões do universo. Pelo contrário, não há evidências de núcleos atômicos complexos de antimatéria, como núcleos de anti-hélio (ou seja, partículas anti-alfa), em raios cósmicos. Estes estão sendo procurados ativamente. Um protótipo do AMS-02 designado AMS-01, foi levado ao espaço a bordo do Space Shuttle Discovery no STS- 91 em junho de 1998. Ao não detectar nenhum anti-hélio, o AMS-01 estabeleceu um limite superior de 1,1×10−6 para a razão do fluxo de anti-hélio para hélio.
Produção artificial
Os físicos do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, na Califórnia, usaram um laser curto e ultraintenso para irradiar um alvo de ouro de um milímetro de espessura e produzir mais de 100 bilhões de pósitrons. A produção laboratorial atualmente significativa de feixes de pósitrons de 5 MeV permite a investigação de múltiplas características, como como diferentes elementos reagem a interações ou impactos de pósitrons de 5 MeV, como a energia é transferida para partículas e o efeito de choque de explosões de raios gama (GRBs).
Aplicativos
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 procurar 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 dentro do corpo humano.
Uma ferramenta experimental chamada espectroscopia de aniquilação de pósitrons (PAS) é usada na pesquisa de materiais para detectar variações de densidade, defeitos, deslocamentos ou mesmo vazios em um material sólido.