El positrón o antielectrón es la partícula con carga eléctrica de +1 e , espín de 1/2 (igual que el electrón) y la misma masa que un electrón . Es la antipartícula ( contraparte de antimateria ) del electrón . Cuando un positrón choca con un electrón, se produce la aniquilación . Si esta colisión ocurre a bajas energías, da como resultado la producción de dos o más fotones .
Los positrones pueden crearse mediante 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.
En 1928, Paul Dirac publicó un artículo en el que proponía que los electrones pueden tener carga tanto 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 . Luego, Hermann Weyl publicó un artículo en el que analiza 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 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 positivos y negativos. Sin embargo, todavía no se había observado experimentalmente tal transición. [5]
Dirac escribió un artículo de seguimiento en diciembre de 1929 [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 llevara una carga positiva". Afirmó además que todo el espacio podría considerarse como un "mar" de estados de energía negativos que se llenaban para evitar que los electrones saltaran entre estados de energía positivos (carga eléctrica negativa) y estados de energía negativos (carga positiva). El artículo también explora 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 la del electrón era un problema, pero expresó "esperanza" de que una teoría futura resuelva el problema. [ cita necesaria ]
Robert Oppenheimer argumentó firmemente en contra de que el protón fuera la solución electrónica 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 la del electrón de energía positiva. [9] Persuadido 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 aniquilarían mutuamente al entrar en contacto con un electrón. [10]
Richard Feynman , y anteriormente Ernst Stueckelberg , propusieron una interpretación del positrón como un electrón que retrocede en el tiempo, [11] reinterpretando las soluciones de energía negativa de la ecuación de Dirac. Los electrones que retrocedieran 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 mundial compleja que se intersecta a sí misma . [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 pueden ocurrir de vez en cuando no es creación o aniquilación, sino sólo un cambio de dirección de las 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 imágenes, pero no tiene nada que ver con los términos macroscópicos "causa" y "efecto", que no aparecen en una descripción física microscópica. [ cita necesaria ]
Varias fuentes han afirmado que Dmitri Skobeltsyn observó por primera vez el positrón mucho antes de 1930, [14] o incluso ya en 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 dirección opuesta en un campo magnético aplicado, y que presentó fotografías de 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 Sobre el descubrimiento de positrones en 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 en un apéndice la objeción de Skobeltsyn. [18] Más tarde, Skobeltsyn rechazó esta afirmación aún más enérgicamente, calificándola de "nada más que pura tontería". [19]
Skobeltsyn allanó el camino para el eventual descubrimiento del positrón mediante dos contribuciones importantes: añadiendo un campo magnético a su cámara de niebla (en 1925 [20] ) y descubriendo rayos cósmicos de partículas cargadas , [21] por lo que se le atribuye en Conferencia Nobel de Carl David Anderson . [22] Skobeltzyn observó probables huellas de positrones en imágenes tomadas en 1931, [23] pero no las identificó como tales en ese momento.
Asimismo, en 1929 Chung-Yao Chao , un estudiante graduado chino en Caltech , notó algunos resultados anómalos que indicaban partículas que se comportaban como electrones, pero con 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 finales 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 rodeaba este aparato, lo que hacía que las partículas se doblaran en diferentes direcciones según 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. [28]
Anderson escribió en retrospectiva que el positrón podría haberse descubierto antes basándose en el trabajo de Chung-Yao Chao, si tan solo se hubiera dado 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 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. [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 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. [30] El módulo PAMELA también ha descubierto que existen antiprotones en los cinturones de Van Allen alrededor de la Tierra . [31] [32]
Las antipartículas, de las cuales las más comunes son los antineutrinos y los positrones debido a su baja masa, también se producen en cualquier entorno con una temperatura suficientemente alta (energía media de las partículas superior al umbral de producción de pares ). Durante el período de bariogénesis , cuando el universo era extremadamente caliente y denso, continuamente se producían y aniquilaban materia y antimateria. La presencia de materia restante y la ausencia de antimateria restante detectable, [33] también llamada asimetría bariónica , se atribuye a la violación de CP : una violación de la simetría CP que relaciona la materia con la antimateria. El mecanismo exacto de esta alteración durante la bariogénesis sigue siendo un misterio. [34]
Producción de positrones a partir de radiactivos.
b+
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 se trata de 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, alrededor de 4.400 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 alrededor de 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 con exploración PET . [ cita necesaria ]
Observaciones recientes indican que los agujeros negros y las estrellas de neutrones producen grandes cantidades de plasma de positrones y electrones en chorros astrofísicos . También se han asociado grandes nubes de plasma de positrones y electrones con estrellas de neutrones. [38] [39] [40]
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 de los rayos cósmicos primarios. [41] 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 observado que la fracción de positrones es mayor en estos rayos cósmicos de mayor energía. [42]
Estos no parecen ser productos de grandes cantidades de antimateria del Big Bang, ni tampoco de antimateria compleja en el universo (falta evidencia de ello, ver más abajo). Más bien, la antimateria de los rayos cósmicos parece consistir únicamente en 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. [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 oscilan entre 0,5 GeV y 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 proporción entre positrones y electrones comienza a disminuir nuevamente. El flujo absoluto de positrones también comienza a disminuir antes de los 500 GeV, pero alcanza su punto máximo en energías mucho más altas que las energías de los electrones, que alcanzan un máximo de alrededor de 10 GeV. [46] [47] 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 . [48]
Los positrones, al igual que los antiprotones, no parecen originarse 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 anti-alfa), en los rayos cósmicos. Estos se están buscando activamente. Un prototipo del AMS-02 , denominado AMS-01 , fue llevado 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] La importante producción de laboratorio actual de haces de positrones y 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 . [51]
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 probar predicciones teóricas y buscar nuevos tipos de partículas. [ cita necesaria ]
El experimento ALPHA combina positrones con antiprotones para estudiar las propiedades del antihidrógeno . [52]
Los rayos gamma, emitidos indirectamente por un radionúclido emisor de positrones (trazador), se detectan en escáneres de tomografía por emisión de positrones (PET) utilizados en los hospitales. Los escáneres PET crean imágenes tridimensionales detalladas de la actividad metabólica dentro del cuerpo humano. [53]
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 huecos dentro de un material sólido. [54]
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.
