El positrón o antielectrón es la partícula con carga eléctrica de +1 e , espín 1/2 (igual que el electrón) y masa igual a la de este último . Es la antipartícula ( contraparte en antimateria ) del electrón . Cuando un positrón colisiona con un electrón se produce la aniquilación . Si esta colisión se produce a bajas energías, da como resultado la producción de dos o más fotones .
Los positrones pueden crearse por desintegración radiactiva por emisión de positrones (a través de interacciones débiles ) o por producción de pares a partir de un fotón suficientemente energético que interactúa con un átomo en un material.
En 1928, Paul Dirac publicó un artículo en el que proponía que los electrones pueden tener tanto carga positiva como negativa. [5] 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 artículo no predijo explícitamente una nueva partícula, pero sí permitió que los electrones tuvieran energía positiva o negativa como soluciones . Hermann Weyl publicó entonces un artículo en el que analizaba las implicaciones matemáticas de la solución de energía negativa. [6] 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 que la solución de energía negativa se ignorara simplemente, 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, todavía no se había observado experimentalmente tal transición. [5]
En diciembre de 1929, Dirac escribió un artículo posterior [7] que intentaba explicar la inevitable solución de energía negativa para el electrón relativista. Sostuvo 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 podía considerarse un "mar" de estados de energía negativa que estaban llenos, de modo de evitar que los electrones saltaran entre estados de energía positiva (carga eléctrica negativa) y estados de energía negativa (carga positiva). El artículo también exploró la posibilidad de que el protón fuera una isla en este mar, y que en realidad pudiera 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" de que una teoría futura resolvería el problema. [7]
Robert Oppenheimer argumentó firmemente en contra de que el protón fuera la solución del electrón de energía negativa a la ecuación de Dirac. Afirmó que si así fuera, el átomo de hidrógeno se autodestruiría rápidamente. [8] Weyl en 1931 demostró que el electrón de energía negativa debe tener la misma masa que el electrón de energía positiva. [9] Convencido por el argumento de Oppenheimer y Weyl, Dirac publicó un artículo en 1931 que predijo la existencia de una partícula aún no observada a la que llamó "antielectrón" que tendría la misma masa y la carga opuesta que un electrón y que se aniquilaría mutuamente al entrar en contacto con un electrón. [10]
Richard Feynman , y anteriormente Ernst Stueckelberg , propusieron una interpretación del positrón como un electrón que se mueve hacia atrás en el tiempo, [11] 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 . John Archibald 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 autointersecta . [12] Yoichiro Nambu lo aplicó más tarde a toda la producción y aniquilación de pares partícula-antipartícula, afirmando que "la eventual creación y aniquilación de pares que puede ocurrir ahora y entonces no es creación o aniquilación, sino solo un cambio de dirección de partículas en movimiento, del pasado al futuro, o del futuro al pasado". [13] El punto de vista retrospectivo en el tiempo se acepta hoy en día como completamente equivalente a otras representaciones, pero no tiene nada que ver con los términos macroscópicos "causa" y "efecto", que no aparecen en una descripción física microscópica. [ cita requerida ]
Varias fuentes han afirmado que Dmitri Skobeltsyn observó por primera vez el positrón mucho antes de 1930, [14] o incluso tan temprano como 1923. [15] Afirman que mientras usaba una cámara de niebla Wilson [16] para estudiar el efecto Compton , Skobeltsyn detectó partículas que actuaban como electrones pero se curvaban en la dirección opuesta en un campo magnético aplicado, y que presentó fotografías con este fenómeno en una conferencia en la Universidad de Cambridge , del 23 al 27 de julio de 1928. En su libro [17] sobre la historia del descubrimiento del positrón de 1963, Norwood Russell Hanson ha dado una explicación detallada de las razones de esta afirmación, y este puede haber sido el origen del mito. Pero también presentó la objeción de Skobeltsyn al respecto en un apéndice. [18] Más tarde, Skobeltsyn rechazó esta afirmación aún más enérgicamente, calificándola de "nada más que un completo disparate". [19]
Skobeltzyn allanó el camino para el eventual descubrimiento del positrón con dos contribuciones importantes: añadiendo un campo magnético a su cámara de nubes (en 1925 [20] ), y descubriendo los rayos cósmicos de partículas cargadas , [21] por lo que se le atribuye en la conferencia Nobel de Carl David Anderson . [22] Skobeltzyn observó probables rastros de positrones en imágenes tomadas en 1931, [23] pero no los identificó como tales en ese momento.
De la misma manera, en 1929 Chung-Yao Chao , un estudiante chino de posgrado en 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 fue investigado. [24] Cincuenta años después, Anderson reconoció que su descubrimiento se inspiró en el trabajo de su compañero de clase de Caltech Chung-Yao Chao , cuya investigación formó la base a partir de la cual se desarrolló gran parte del trabajo de Anderson, pero que no fue acreditado en ese momento. [25]
Anderson descubrió el positrón el 2 de agosto de 1932, [26] por lo que ganó el Premio Nobel de Física en 1936. [27] Anderson no acuñó el término positrón , pero lo permitió por sugerencia del editor de la revista Physical Review a quien presentó 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 nubes y una placa de plomo. Un imán rodeaba este aparato, haciendo que las partículas se doblaran en diferentes direcciones según su carga eléctrica. El rastro de iones dejado por cada positrón aparecía 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. [28]
Anderson escribió en retrospectiva que el positrón podría haber sido descubierto antes basándose en el trabajo de Chung-Yao Chao, si tan solo se hubiera hecho un seguimiento. [24] Frédéric e Irène Joliot-Curie en París tenían evidencia de positrones en fotografías antiguas cuando salieron los resultados de Anderson, pero los habían descartado como protones. [28]
El positrón también había sido descubierto contemporáneamente por Patrick Blackett y Giuseppe Occhialini en el Laboratorio Cavendish en 1932. Blackett y Occhialini habían retrasado la publicación para obtener evidencia más sólida, por lo que Anderson pudo publicar el descubrimiento primero. [29]
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 interacciones de cuantos gamma (emitidos por núcleos radiactivos) con la materia. Los antineutrinos son otro tipo de antipartícula producida por la radiactividad natural (desintegración β− ) . Muchos tipos diferentes de antipartículas también son producidas por (y contenidas en) los rayos cósmicos . En una investigación publicada en 2011 por la Sociedad Astronómica Estadounidense , se descubrió que los positrones se originaban sobre las nubes de tormenta ; los positrones se producen en destellos de rayos gamma creados por electrones acelerados por fuertes campos eléctricos en las nubes. [30] También se ha descubierto que existen antiprotones en los cinturones de Van Allen alrededor de la Tierra mediante el módulo PAMELA . [31] [32]
Las antipartículas, de las cuales las más comunes son los antineutrinos y positrones debido a su baja masa, también se producen en cualquier entorno con una temperatura suficientemente alta (energía media de las partículas mayor que el umbral de producción de pares ). Durante el período de bariogénesis , cuando el universo era extremadamente caliente y denso, la materia y la antimateria se producían y aniquilaban continuamente. La presencia de materia restante y la ausencia de antimateria restante detectable, [33] 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. [34]
Producción de positrones a partir de material radiactivo
β+
La desintegración puede considerarse tanto una 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 del potasio. Aunque es un pequeño porcentaje del potasio (0,0117 %), es el radioisótopo más abundante en el cuerpo humano. En un cuerpo humano de 70 kg (150 lb) de masa, aproximadamente 4400 núcleos de 40 K se desintegran por segundo. [35] La actividad del potasio natural es de 31 Bq /g. [36] Aproximadamente el 0,001 % de estas desintegraciones de 40 K producen aproximadamente 4000 positrones naturales por día en el cuerpo humano. [37] Estos positrones pronto encuentran un electrón, sufren aniquilación 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 mediante tomografía por emisión de positrones . [ cita requerida ]
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. [38] [39] [40]
Los experimentos satelitales han encontrado evidencia de positrones (así como algunos antiprotones) en rayos cósmicos primarios, que representan menos del 1% de las partículas en rayos cósmicos primarios. [41] Sin embargo, la fracción de positrones en 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 mayor energía. [42]
No parecen ser productos de grandes cantidades de antimateria del Big Bang, ni de antimateria compleja en el universo (de lo cual no hay pruebas, véase más adelante). Más bien, la antimateria de los rayos cósmicos parece estar formada únicamente por estas dos partículas elementales. Las teorías recientes sugieren que la fuente de dichos 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 los rayos cósmicos con el gas interestelar. [43]
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 varían de 0,5 GeV a 500 GeV. [44] [45] La fracción de positrones alcanza un máximo de aproximadamente el 16% del total de eventos electrón+positrón, alrededor de una energía de 275 ± 32 GeV. A energías más altas, hasta 500 GeV, la relación de positrones a electrones comienza a caer de nuevo. El flujo absoluto de positrones también comienza a caer antes de los 500 GeV, pero alcanza un máximo a energías mucho más altas que las energías de los electrones, que alcanzan un máximo de aproximadamente 10 GeV. [46] [47] Se ha sugerido que estos resultados sobre la interpretación se deben a la producción de positrones en eventos de aniquilación de partículas masivas de materia oscura . [48]
Los positrones, al igual que los antiprotones, no parecen tener su origen en ninguna región hipotética de "antimateria" del universo. Por el contrario, no hay evidencia de núcleos atómicos de antimateria complejos, como núcleos de antihelio (es decir, partículas antialfa), en los rayos cósmicos. Estos se están buscando activamente. Un prototipo del AMS-02 , designado AMS-01 , fue enviado al espacio a bordo del transbordador espacial Discovery en la misión STS-91 en junio de 1998. Al no detectar ningún antihelio , el AMS-01 estableció un límite superior de 1,1×10 −6 para la relación de flujo de antihelio a helio . [49]
Los físicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California han utilizado un láser corto y ultraintenso para irradiar un objetivo de oro de un milímetro de espesor y producir más de 100 mil millones de positrones. [50] Actualmente, la importante producción de laboratorio de haces de positrones-electrones de 5 MeV permite la investigación de múltiples características, como la forma en que 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 . [51]
En 2023, una colaboración entre el CERN y la Universidad de Oxford realizó un experimento en las instalaciones HiRadMat [52] en el que se produjeron haces de pares electrón-positrón de duración de nanosegundos que contenían más de 10 billones de pares electrón-positrón, creando así el primer 'plasma de pares' en el laboratorio con suficiente densidad para soportar el comportamiento del plasma colectivo. [53] Los experimentos futuros ofrecen la posibilidad de estudiar la física relevante para entornos astrofísicos extremos donde se generan abundantes pares electrón-positrón, como estallidos de rayos gamma , estallidos de radio rápidos y chorros de blazar .
Ciertos tipos de experimentos con aceleradores de partículas implican la colisión de positrones y electrones a velocidades relativistas. La alta energía de 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 poner a prueba las predicciones teóricas y buscar nuevos tipos de partículas. [ cita requerida ]
El experimento ALPHA combina positrones con antiprotones para estudiar las propiedades del antihidrógeno . [54]
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. [55]
En la investigación de materiales se utiliza una herramienta experimental llamada espectroscopia de aniquilación de positrones (PAS) para detectar variaciones de densidad, defectos, desplazamientos o incluso huecos dentro de un material sólido. [56]
Los científicos del LLNL crearon los positrones disparando el láser Titán de alta potencia del laboratorio sobre una pieza de oro de un milímetro de espesor.
