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Os pósitrons podem ser gerados pela decomposição radioativa de emissão de pósitron (através de interações fracas), ou por produção de par de um fóton suficientemente energético que interage com um átomo em um material.
== História ==
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Em 1928, Paul Dirac publicou um artigo [2] propondo que os elétrons podem ter uma carga positiva e energia negativa. Este artigo introduziu a equação de Dirac, uma unificação da mecânica quântica, relatividade especial e o então novo conceito de rotação de elétrons para explicar o efeito Zeeman. O documento não explicitamente previu uma nova partícula, mas permitiu que elétrons tenham energia positiva ou negativa como soluções. Hermann Weyl então publicou um artigo sobre as implicações matemáticas da solução de energia negativa. [3] A solução de energia positiva explicou resultados experimentais, mas Dirac ficou intrigada com a solução de energia negativa igualmente válida que o modelo matemático permitiu. A mecânica quântica não permitiu que a solução de energia negativa fosse simplesmente ignorada, como a mecânica clássica freqüentemente fazia em tais equações; A solução dupla implicava a possibilidade de um elétron saltar espontaneamente entre estados de energia positivos e negativos. No entanto, nenhuma transição já foi observada experimentalmente. Referiu-se às questões levantadas por este conflito entre teoria e observação como "dificuldades" que foram "não resolvidas".
Dirac escreveu um documento de acompanhamento em dezembro de 1929 [4] que tentou explicar a inevitável solução de energia negativa para o elétron relativista. Ele argumentou que "... um elétron com energia negativa se move em um campo [eletromagnético] externo como se ele carregasse uma carga positiva". Ele afirmou ainda que todo o espaço poderia ser considerado como um "mar" de estados de energia negativos que foram preenchidos, de modo a evitar que os elétrons saltem entre estados de energia positivos (carga elétrica negativa) e estados de energia negativos (carga positiva). O documento também explorou a possibilidade de o próton ser uma ilha neste mar, e que ele realmente pode ser um elétron de energia negativa. Dirac reconheceu que o próton com uma massa muito maior que o elétron era um problema, mas expressava "esperança" de que uma futura teoria resolva o problema.
Robert Oppenheimer argumentou fortemente contra o protão ser a solução eletrônica de energia negativa para a equação de Dirac. Ele afirmou que, se fosse, o átomo de hidrogênio se autodestruiria rapidamente. [5] Persuadido pelo argumento de Oppenheimer, Dirac publicou um artigo em 1931 que previu a existência de uma partícula ainda não observada que ele chamou de "anti-elétron" que teria a mesma massa que um elétron e que se aniquilaria mutuamente após o contato com um Elétron. [6]
Feynman e Stueckelberg anteriores, propuseram uma interpretação do positron como um elétron que se movia para trás no tempo, [7] reinterpretando as soluções de energia negativa da equação de Dirac. Os elétrons que se deslocam para trás no tempo teriam uma carga elétrica positiva. Wheeler invocou este conceito para explicar as propriedades idênticas compartilhadas por todos os elétrons, sugerindo que "eles são todos os mesmos elétrons" com uma linha mundial complexa e auto-intersectada. [8] Yoichiro Nambu posteriormente aplicou-o a toda produção e aniquilação de pares de partículas antipartículas, 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, Passado para o futuro ou do futuro para o passado ". [9] O ponto de vista para trás no 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.
=== Dicas e descobertas experimentais ===
Dmitri Skobeltsyn primeiro observou o positron em 1929. [10] Ao usar uma câmara de nuvem Wilson [11] para tentar detectar a radiação gama em raios cósmicos, Skobeltsyn detectou partículas que atuavam como elétrons, mas curvadas na direção oposta em um campo magnético aplicado.
Da mesma forma, em 1929, Chung-Yao Chao, estudante de graduação em Caltech, notou alguns resultados anômalos que indicavam partículas que se comportavam como elétrons, mas com uma carga positiva, embora os resultados não fossem conclusivos e o fenômeno não fosse perseguido. [12]
Carl David Anderson descobriu o positron em 2 de agosto de 1932, [13] pelo qual ele ganhou o Prêmio Nobel de Física em 1936. [14] Anderson não coincidiu o termo positron, mas permitiu isso com a sugestão do editor do periódico Physical Review ao qual ele enviou seu documento de descoberta no final de 1932. O positron foi a primeira evidência de antimatéria e foi descoberto quando Anderson permitiu que os raios cósmicos passassem Uma câmara de nuvens e uma placa de chumbo. Um ímã envolveu este aparelho, fazendo com que as partículas se dobrem em direções diferentes com base na carga elétrica. A trilha iónica deixada por cada positron apareceu na placa fotográfica com uma curvatura correspondente à relação massa-carga de um elétron, mas em uma direção que mostrou sua carga foi positiva. [15]
Anderson escreveu em retrospectiva que o positron poderia ter sido descoberto anteriormente com base no trabalho de Chung-Yao Chao, se apenas tivesse sido seguido. [12] Frédéric e Irène Joliot-Curie em Paris apresentaram evidências de positrons em fotografias antigas quando os resultados de Anderson saíram, mas eles os haviam descartado como prótons. [15]
O pósitron também foi descoberto ao mesmo tempo por Patrick Blackett e Giuseppe Occhialini no Cavendish Laboratory em 1932. Blackett e Occhialini atrasaram a publicação para obter evidências mais sólidas, então Anderson conseguiu publicar a descoberta primeiro. [16]
== Produção natural ==
<blockquote>''Artigo principal: emissão de positrões''</blockquote>Os positrons são produzidos naturalmente em decadências β + de isótopos radioativos de ocorrência natural (por exemplo, potássio-40) e em interações de quanta gama (emitidos por núcleos radioativos) com a matéria. Antineutrinos são outro tipo de antipartícula produzida por radioatividade natural (β-decaimento). Muitos tipos diferentes de antipartículas também são produzidos por (e contidos em) raios cósmicos. A pesquisa recente (a partir de janeiro de 2011) da American Astronomical Society descobriu a antimatéria (positrons) originada acima das nuvens de trovoada; Os pósitrons são produzidos em flashes de raios gama criados por elétrons acelerados por campos elétricos fortes nas nuvens. [17] Antiprotons também foram encontrados nos cintos Van Allen em torno da Terra pelo módulo PAMELA. [18] [19]
As antipartículas, das quais as mais comuns são os pósitrons devido à sua baixa massa, também são produzidas em qualquer ambiente com uma temperatura suficientemente alta (energia média de partículas maior do que o limite de produção). Durante o período de bariogênese, quando o universo era extremamente quente e denso, matéria e antimatéria foram continuamente produzidas e aniquiladas. A presença de matéria remanescente e a ausência de antimatéria remanescente detectável, [20] também chamada de assimetria bariônica, é atribuída à violação de CP: uma violação da simetria de CP referente à antimatéria. O mecanismo exato dessa violação durante a bariogênese continua sendo um mistério. [Citação necessária]
Produção de pósitrons a partir de radioativos
Β +
A decomposição pode ser considerada a produção artificial e natural, pois a geração do radioisótopo pode ser natural ou artificial. Talvez o radioisótopo de ocorrência natural mais conhecido que produz positrões seja potássio-40, um isótopo de potássio de longa duração que ocorre como um isótopo primordial de potássio. Mesmo que uma pequena porcentagem de potássio (0,0117%) seja o radioisótopo mais abundante no corpo humano. Em um corpo humano de 70 kg de massa, cerca de 4.400 núcleos de 40K de decaimento por segundo. [21] A atividade do potássio natural é de 31 Bq / g. [22] Cerca de 0,001% destes decaimentos de 40K produzem cerca de 4000 positrones naturais por dia no corpo humano. [23] Estes pósitrons logo encontram um elétron, sofrem aniquilações e produzem pares de raios gama de 511 keV, em um processo similar (mas muito menor) ao que ocorre durante um procedimento de medicina nuclear com varredura PET. [Citação necessária]
Observações recentes indicam que os buracos negros e as estrelas de nêutrons produzem grandes quantidades de plasma de elétrons positrons através dos jatos. Grandes nuvens de plasma de elétron positron também foram associadas com estrelas de nêutrons. [24] [25] [26]
=== Observação em raios cósmicos ===
<blockquote>''Artigo principal: raio cósmico''</blockquote>As experiências por satélite encontraram evidências de pósitrons (assim como alguns antiprotons) em raios cósmicos primários, totalizando menos de 1% das partículas em raios cósmicos primários. Estes não parecem ser os produtos de grandes quantidades de antimatéria do Big Bang, ou mesmo antimatéria complexa no universo (evidência para a qual está faltando, veja abaixo). Em vez disso, a antimatéria em raios cósmicos parece consistir apenas nessas duas partículas elementares, provavelmente feitas em processos energéticos muito depois do Big Bang. [Citação necessária]
Os resultados preliminares do Espectrômetro Magnético Alfa (AMS-02) atualmente a bordo da Estação Espacial Internacional mostram que os pósitrons nos raios cósmicos chegam sem direccionalidade e com energias que variam de 10 GeV a 250 GeV. Em setembro de 2014, novos resultados com quase o dobro de dados foram apresentados em uma palestra no CERN e publicados em Physical Review Letters. [27] [28] Foi relatada uma nova medida de fração de positrão até 500 GeV, mostrando que a fração de positrões atinge um máximo de cerca de 16% dos eventos de elétron + positron total, em torno de uma energia de 275 ± 32 GeV. Em energias superiores, até 500 GeV, a proporção de pósitrons para elétrons começa a cair novamente. O fluxo absoluto de positrons também começa a cair antes de 500 GeV, mas picos em energias muito superiores às energias de elétrons, que atingem um pico de cerca de 10 GeV. [29] Estes resultados em interpretação foram sugeridos devido à produção de pósitrons em eventos de aniquilação de partículas maciças de matéria escura. [30]
Positrons, como anti-prótons, não parecem originar de quaisquer regiões hipotéticas de "antimatéria" do universo. Pelo contrário, não há evidências de núcleos atômicos complexos de antimatéria, como núcleos de antielio (isto é, partículas anti-alfa), em raios cósmicos. Estes estão sendo pesquisados ativamente. Um protótipo da AMS-02 designado AMS-01, foi levado para o espaço a bordo do Space Shuttle Discovery no STS-91 em junho de 1998. Ao não detectar nenhum antihelium, o AMS-01 estabeleceu um limite superior de 1.1 × 10- 6 para a relação de fluxo do helio contra o hialio. [31]
== Produção artificial ==
Físicos do Lawrence Livermore National Laboratory na Califórnia usaram um laser curto e ultra intenso para irradiar um alvo de ouro milimétrico e produzir mais de 100 bilhões de pósitrons. [32] Atualmente, a produção de laboratório significativa de feixes de elétrons positrons de 5 MeV permite a investigação de múltiplas características, como a forma como os diferentes elementos reagem às interações ou impactos de positron de 5 MeV, como a energia é transferida para as partículas e o efeito de choque dos GRBs. [33]
== Aplicações ==
Certos tipos de experiências de acelerador de partículas envolvem colisão de positrons e elétrons em velocidades relativistas. A energia de alto impacto e a aniquilação mútua destes opostos de matéria / antimatéria criam uma fonte de diversas partículas subatômicas. Os físicos estudam os resultados dessas colisões para testar previsões teóricas e buscar novos tipos de partículas.
Os raios gama, emitidos indiretamente por um radionuclídeo emissor de pósitron (traçador), são detectados em scanner de tomografia por emissão de pósitrons (PET) usados em hospitais. Os scanners de PET criam imagens tridimensionais detalhadas da atividade metabólica no corpo humano. [34]
Uma ferramenta experimental chamada espectroscopia de aniquilação de positron (PAS) é utilizada na pesquisa de materiais para detectar variações na densidade, defeitos, deslocamentos ou mesmo vazios, dentro de um material sólido. [35]
== Ver também ==
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