Positrón

Positrón

El positrón o antielectrón és una partícula elemental, antipartícula del electró. Posseïx la mateixa cantitat de massa i espin que l'electró; no obstant, la seua càrrega és d'1i, mentres que la de l'electró és de -1i. No forma part de la matèria ordinària, sino de l'antimatèria, encara que es produïxen en numerosos processos radioquímicos com a part de transformacions nuclears.

Esta partícula va ser predita per Paul Dirac en 1928, per a després ser descoberta en 1932 pel físic nortamericà Carl David Anderson en fotografiar les chafades dels rajos còsmics en una cambra de boira.

En l'actualitat, els positrones són rutinariamente utilisats en medicina nuclear com la tomografía per emissió de positrones.

Història

Teoria

En 1928, Paul Dirac va publicar un artícul en el que proponia que els electrons poden tindre tant càrrega positiva com a negativa. Este artícul va introduir l'equació de Dirac, una unificació de la mecànica quàntica, la relativitat especial i el llavors nou concepte d'espin de l'electró per a explicar l'efecte Zeeman. El document no predia explícitament una nova partícula, pero permetia que els electrons tingueren com a solucions d'energia positiva o negativa. Hermann Weyl va publicar llavors un artícul en el que discutia les implicacions matemàtiques de la solució d'energia negativa. La solució d'energia positiva explicava els resultats experimentals, pero a Dirac li desconcertava la solució d'energia negativa, igualment vàlida, que permetia el model matemàtic. La mecànica quàntica no permetia simplement ignorar la solució d'energia negativa, com feya a sovint la mecànica clàssica en tals equacions; la solució dual implicava la possibilitat de que un electró botara espontàneament entre estats d'energia positiva i negativa. No obstant, encara no s'havia observat experimentalment cap transició d'este tipo.

Dirac va escriure un artícul de seguiment en decembre de 1929 que intentava explicar l'inevitable solució d'energia negativa per a l'electró relativiste. Va argumentar que "... un electró en energia negativa es mou en un camp [electromagnètic] extern com si duguera una càrrega positiva". Va afirmar ademés que tot l'espai podia considerar-se com un "mar" d'estats d'energia negativa que estaven plens, per a evitar que els electrons botaren entre estats d'energia positiva (càrrega elèctrica negativa) i estats d'energia negativa (càrrega positiva). El document també explorava la possibilitat de que el protón fora una illa en esta mar, i que en realitat poguera ser un electró d'energia negativa. Dirac va reconéixer que el fet de que el protó tinguera una massa molt major que la de l'electró era un problema, pero va expressar el seu "esperança" de que una teoria futura resolguera la qüestió. Robert Oppenheimer va argumentar fortament en contra de que el protó fora la solució d'energia negativa de l'electró a l'equació de Dirac. Va afirmar que si ho anara, l'àtom d'hidrogen es autodestruiría ràpidament. Weyl va demostrar en 1931 que l'electró d'energia negativa deu tindre la mateixa massa que l'electró d'energia positiva. Persuadit per l'argument de Oppenheimer i Weyl, Dirac va publicar un artícul en 1931 que predia l'existència d'una partícula encara no observada a la que va cridar "antielectrón" que tindria la mateixa massa i la càrrega oposta a la d'un electró i que s'aniquilaria mútuament en entrar en contacte en un electró.

Richard Feynman, i anteriorment Ernst Stueckelberg, varen propondre una interpretació del positrón com un electró que es mou cap a arrere en el temps, reinterpretant les solucions d'energia negativa de l'equació de Dirac. Els electrons que es mouen cap a arrere en el temps tindrien una càrrega elèctrica positiva. John Archibald Wheeler va invocar este concepte per a explicar les propietats idèntiques compartides per tots els electrons, sugerint que "tots són el mateix electró" en una Llínea d'univers complexa i autointersectiva. Yoichiro Nambu ho va aplicar més vesprada a tota la producció i aniquilació de parells partícula-antipartícula, afirmant que "l'eventual creació i aniquilació de parells que pot ocórrer ara i llavors no és creació ni aniquilació, sino només un canvi de direcció de les partícules en moviment, del passat al futur, o del futur al passat." El punt de vista cap a arrere en el temps s'accepta hui en dia com completament equivalent a atres imàgens, pero no té res a vore en els térmens macroscòpics "causa" i "efecte", que no apareixen en una descripció física microscòpica.

Pistes experimentals i descobriment

Wilson Les cambres de núvols solien ser detectors de partícules molt importants en els primers dies de la física de partícules. Es varen utilisar en el descobriment del positrón, el muón i el kaón

Vàries fonts han afirmat que Dmitri Skobeltsyn va observar per primera volta el positrón molt abans de 1930, o inclús ya en 1923. Afirmen que mentres utilisaven una Cambra de boira de Wilson per a estudiar l'efecte Compton, Skobeltsyn va detectar partícules que actuaven com a electrons pero que es curvaven en sentit contrari en un camp magnètic aplicat, i que va presentar fotografies en este fenomen en una conferència en l'Universitat de Cambridge, del 23 al 27 de juliol de 1928. En el seu llibre sobre l'història del descobriment del positrón a partir de 1963, Norwood Russell Hanson ha fet un relat detallat de les raons d'esta afirmació, i este pot haver segut l'orige del mit. Pero també va presentar l'objecció de Skobeltsyn a la mateixa en un apèndix. Més tart, Skobeltsyn va rebujar esta afirmació de forma encara més contundent, calificant-la de "res més que pura borinotada".

Skobeltsyn va aplanar el camí per a l'eventual descobriment del positrón en dos importants contribucions: afegint un camp magnètic a la seua cambra de núvols (en 1925), i per mig del descobriment de rajos còsmics de partícules carregades, pel que se li atribuïx en el Conferència Nobel de Carl David Anderson. Skobeltzyn sí va observar provables chafades de positrones en imàgens preses en 1931, pero no els va identificar com a tals en el seu moment.

Aixina mateix, en 1929 Chung-Yao Chao, estudiant de postgrau en Caltech, va observar alguns resultats anómals que indicaven partícules que es comportaven com a electrons, pero en càrrega positiva, encara que els resultats no varen ser concloents i el fenomen no va ser perseguit.

Anderson va descobrir el positrón el 2 d'agost de 1932, pel que va obtindre el Premi Nobel de Física en 1936. Anderson no va falcar el terme positrón, sino que ho va permetre a sugerència de l'editor de la revista Physical Review a qui va presentar el seu artícul de descobriment a finals de 1932. El positrón va ser la primera prova d'antimatèria i es va descobrir quan Anderson va deixar passar rajos còsmics a través d'una cambra de núvols i una placa de plom. Un imant rodejava este aparat, fent que les partícules es curvaren en diferents direccions en funció de la seua càrrega elèctrica. El rastre iònic que deixava cada positrón apareixia en la placa fotogràfica en una curvatura que coincidia en la relació massa carrega d'un electró, pero en una direcció que mostrava que la seua càrrega era positiva.

Anderson va escriure en retrospectiva que el positrón podria haver-se descobert abans basant-se en el treball de Chung-Yao Chao, si tan solament se li haguera donat seguiment. Frédéric i Irène Joliot-Curie en París tenien proves de positrones en fotografies antigues quan es varen publicar els resultats d'Anderson, pero els havien descartat com protones.

El positrón també havia segut descobert simultàneament per Patrick Blackett i Giuseppe Occhialini en el Laboratori Cavendish en 1932. Blackett i Occhialini havien retardat la publicació per a obtindre proves més sòlides, per lo que Anderson va poder publicar primer el descobriment.

Creació de positrones per pols làser

En novembre de 2008 la doctora Hui Chen, del Laboratori Nacional Lawrence Livermore d'Estats Units, va anunciar que ella i el seu equip haurien creat positrones en fer incidir un breu encara que intens pols làser a través d'una làmina d'or blanc de pocs milímetros de gruixa; açò hi hauria ionizado el material i accelerat els seus electrons. Els electrons accelerats varen emetre quants d'energia que en decaure varen donar lloc a partícules materials i donant també per resultat positrones. Actualment, l'important producció de laboratori de fas de positrones-electrons de 5 MeV permet l'investigació de múltiples característiques, com la forma en que els diferents elements reaccionen a les interaccions o impactes de positrones de 5 MeV, cóm es transferix l'energia a les partícules i l'efecte de choc de brot de rajos gamma (GRB).