Պոզիտրոն

Պոզիտրոն կամ հակաէլեկտրոն, էլեկտրոնի հակամասնիկը։ Էլեկտրական լիցքը +1e է, սպինը՝ 1/2, զանգվածը հավասար է էլեկտրոնի զանգվածին։ Ցածր էներգիայով էլեկտրոնի և ցածր էներգիայով պոզիտրոնի բախման արդյունքում անիհիլացիա է տեղի ունենում և առաջանում են երկու կամ ավելի գամմա ճառագայթային ֆոտոններ (տես էլեկտրոն-պոզիտրոնային անիհիլացիա)։

Պոզիտրոններ կարող են առաջանալ պոզիտրոնային ճառագայթման ռադիոակտիվ տրոհումից (թույլ փոխազդեցությունների միջոցով) կամ բավարար էներգիայով ֆոտոնների զույգային գեներացիայից։

Պատմություն

Տեսությունը 

1928 թ. հրատարակված հոդվածում Պոլ Դիրակը ենթադրություն հայտնեց, որ էլեկտրոնները կարող են ունենալ դրական լիցք և բացասական էներգիան։ Այս հոդվածը ներկայացնում էր Դիրակի հավասարումը՝ քվանտային մեխանիկան միավորելով հարաբերականության հատուկ տեսության հետ, և նկարագրում նոր հասկացություն՝ էլեկտրոնի սպինը՝ բացատրելու համար Զեեմանի էֆեկտը։ Հոդվածն ուղղակիորեն չէր կանխագուշակում նոր մասնիկի գոյությունը, սակայն որպես լուծում թույլ էր տալիս էլեկտրոններին վերագրել և դրական, և՛ բասացական էներգիա։ Դրական էներգիայով լուծումը բացատրում էր փորձնական արդյունքը, սական Դիրակին շփոթեցնում էր հավասարապես ճշգրիտ բացասական էներգիայով լուծումը, ինչը թույլ էր տալիս մաթեմատիկական մոդելը։  Քվանտային մեխանիկան թույլ չի տալիս պարզապես անտեսել բացասական էներգիայով լուծումը, ինչը նման դեպքերում սովորական էր դասական մեխանիկայում։ Երկակի լուծումը մատնանշում էր էլեկտրոնի՝ սպոնտան կերպով դրական և բացասական էներգիական վիճակների միջև ցատկելու հնարավորությունը։ Սակայն այդպիսի անցում փորձնականորեն դեռ չէր դիտվել։ Տեսության և փորձի կոնֆլիկտից առաջացած այս խնդիրը Դիրակը համարում էր «չլուծված դժվարություն»։

1929 թ. դեկտեմբերին Դիրակը գրում է, որ փորձում է բացատրել անխուսափելի բացասական էներգիայով լուծումը ռելյատիվիստական էլեկտրոնի համար։ Նա փաստարկում է, որ «...բացասական էներգիայով էլեկտրոնն արտաքին էլեկտրամագնիսական դաշտում կշարժվեր այնպես, ասես նրա լիցքը դրական է»։ Ապա ցույց է տալիս, որ ամբողջ տարածությունը կարելի է դիտարկել որպես բացասական էներգիական վիճակներով «ծով», որոնք լրացված են՝ կանխելու համար էլեկտրոնների ցատկը դրական էներգիական վիճակների (բացասական էլեկտրական լիցք) և բացասական էներգիական վիճակների (դրական լիցք) միջև։ Հոդվածում դիտարկվում է նաև պրոտոնի՝ որպես այդ ծովում կղզի լինելու հնարավորությունը և բացասական էներգիայով էլեկտրոնի իրապես գոյություն ունենալը։ Դիրակը նշում է, որ պրոտոնի՝ էլեկտրոնից շատ ավելի մեծ զանգված ունենալը խնդիր է, սակայն հույս է հայտնում, ար ապագա տեսության մեջ այդ հարցը լուծված կլինի։

Դիրակի հավասարման լուծման մեջ բացասական էներգիայով էլեկտրոնի՝ պրոտոն լինելու դեմ առարկում է Ռոբերտ Օպենհեյմերը՝ նշելով, որ այդ դեպքում ջրածնի ատոմը արագ կվերանար։ Ընդունելով Օպենհայմերի փաստարկները՝ Դիրակը 1931 թ. հոդված հրապարակեց, որում ենթադրում էր դեռևս չբացահայտված մասնիկի՝ իր բառերով ասած՝ «հակա-էլեկտրոնի» գոյությունը, որն ուներ էլեկտրոնի զանգվածին հավասար զանգված և էլեկտրոնի հետ կոնտակի արդյունքում փոխադարձաբար ոչնչացնում էին միմյանց։

Ֆեյնմանը և ավելի վաղ Էռնստ Շտյուկելբերգը առաջարկեցին պոզիտրոնը ներկայացնել որպես ժամանակի մեջ հետ շարժվող էլեկտրոն՝ այս կերպ մեկնաբանելով Դիրակի հավասարման բացասական էներգիայով լուծումը։ Ժամանակի մեջ հակառակ շարժվող էլեկտրոնը պետք է ունենար դրական էլեկտրական լիցք։ Ջոն Ուիլերը հղում է այս հասկացությանը՝ բացատրելու համար նույնական հատկությունները, որ բաժանում են բոլոր էլեկտրոնները՝ առաջարկելով, որ «դրանք բոլորը նույն էլեկտրոնն են» բարդ, ինքն իր հետ հատվող համաշխարհային գծով։ Ավելի ուշ Յոիշիրո Նամբուն դա տարածեց բոլոր ծնվող և ոչնչացող մասնիկ-հակամասնիկ զույգերի վրա՝ պնդելով, որ «զույգերի վերջնական ծնումը և ոչնչացում, որ կարող է տեղի ունենալ ժամանակ առ  ժամանակ, ծնում կամ ոչնչացում չէ, այլ՝ անցյալից ապագա կամ ապագայից անցյալ շարժվող մասնիկների ուղղությունների փոփոխություն»։ Ներկայումս ժամանակի տեսանկյունից հետընթացը ընդունվում է որպես մյուս պատկերների կատարյալ համարժեք, սակայն դա առնչություն չունի «պատճառի» և «հետևանքի» մակրոսկոպիկ երևույթների հետ, որոնք ի հայտ չեն գալիս միկրոսկոպիկ ֆիզիկական նկարագրություններում։

Փորձարարական դիտարկումները և բացահայտումը 

Պոզիտրոնը առաջին անգամ հայտնաբերել է Դիմիտրի Սկոբելցինը 1929 թվականին Վիլսոնի խցիկի օգնությամբ փորձեր անելիս։ Սկոբելցինը փորձում էր հայտնաբերել գամմա ճառագայթները տիեզերական ճառագայթների մեջ, երբ նկատեց մասնիկներ, որոնք վարքով նման էին էլեկտրոններին, սակայն մագնիսական դաշտում շեղվում էին հակառակ ուղղությամբ։

Նման ձևով 1929 թվականին Կալիֆորնիայի տեխնոլոգիական ինստիտուտի շրջանավարտ Չանգ-Յաո Չաոն հետազոտության արդյունքում ստացավ, որ կան մասնիկներ, որոնք նման են դրական լիցքով էլեկտրոնների։ Սակայն նա ուշադրության չարժանացրեց այդ տվյալները։

Կարլ Դ. Անդերսոնը հայտնաբերեց պոզիտրոնը 1932 թվականի օգոստոսի 2-ին, ինչի համար նա 1936 թվականին ստացավ ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակը։ «Պոզիտրոն» տերմինի հեղինակը նույնպես նա է։ Պոզիտրոնը հականյութի առաջին վկայությունն է, և հայտնաբերվեց, երբ Անդերսոնը տիեզերական ճառագայթներ էր անցկացնում վակուումային խցիկով՝ կապարի միջով։ Սարքավորման շուրջը տեղադրված մագնիսը պատճառ էր դառնում, որ մասնիկները շեղվեն տարբեր ուղղություններով՝ կախված էլեկտրական լիցքից։ Ֆոտոթիթեղի վրա մնացած իոնային հետքը զանգված/լիցք հարաբերությունը համապատասխանում էր էլեկտրոնին, սակայն ուղղությունը դրական լիցք էր ցույց տալիս։

Հետագայում Անդերսոնը գրեց, որ պոզիտրոնը կարող էր հայտնաբերել Չանգ Յաո Չաոն, եթե հետևողական լիներ։ Մինչ հայտնի կդառնային Անդդերսոնի արդյունքները, Ֆրեդերիկ և Իրեն Կյուրիները Փարիզում ստացել էին պոզիտրոնի գոյության վկայությունը լուսանկարում, սակայն նրանք դա պրոտոն էին համարել։

Անիհիլացիա 
Դիրակի տեսությունից հետևում է, որ էլեկտրոնը և պոզիտրոնը միմյանց բախվելիս պետք է անիհիլացվեն՝ անջատելով բախվող մասնիկների լրիվ էներգիային հավասար էներգիա։ Պարզվեց, որ այս պրոցեսը գլխավորապես տեղի է ունենում նյութում պոզիտրոնի արգելակումից հետո, երկու մասնիկների լրիվ էներգիան հավասար է նրանց հանգստի էներգիային՝ 1.022 ՄէՎ։ Փորձում գրանցվել են 0.511 ՄէՎ էներգիայով γ-քվանտների զույգեր, որոնք պոզիտրոններով ճառագայթահարվող թիրախից թռչում են հակադիր ուղղություններով։ Էլեկտրոնի և պոզիտրոնի անիհիլացիայի ժամանակ ոչ թե մեկ, այլ նվազագույնը երկու γ-քվանտի առաջացման անհրաժեշտությունը բխում է իմպուլսի պահպանման օրենքից։ Պոզիտրոնի և էլեկտրոնի զանգվածների կենտրոնի համակարգում արդյունարար իմպուլսը մինչև վերափոխման պրոցեսը հավասար է զրոյի, սակայն եթե անիհիլացիայի ժամանակ առաջանար միայն մեկ γ-քվանտ, այն կունենար իմպուլս, որը զրո չէ կամայական հաշվարկման համակարգում։

Անիհիլացիայի ռեակցիան կարելի է գրել որպես
։

1951 թ-ից հայտնի է, որ որոշ ամորֆ մարմիններում, հեղուկներում և գազերում պոզիտրոնը արգելակումից հետո դեպքերի մեծ մասում միանգամից չի անիհիլացվում, այլ կարճ ժամանակով էլեկտրոնի հետ կազմում է կապված համակարգ, որը ստացավ պոզիտրոնիում անվանումը։ Քիմիական հատկություններով պոզիտրոնը համանման է ջրածնի ատոմին, քանի որ իրենից ներկայացնում է մեկ դրական և մեկ բացասական լիցքերից կազմված համակարգ, և կարող է քիմիական ռեակցիայի մեջ մտնել։ Քանի որ էլեկտրոնը և պոզիտրոնը տարբեր մասնիկներ են, ապա նվազագույն էներգիայով կապված վիճակում նրանք կարող են գտնվել ոչ միայն հակուղղված, այլև համուղղված սպիներով։ Առաջին դեպքում պոզիտրոնիումի լրիվ սպիը՝ s = 0, ինչև համապատասխանում է պարապոզիտրոնիումին, իսկ երկրորդ դեպքում՝ s = 1, ինչը համապատախսանում է օրթոպոզիտրոնիումին։ Հետաքրքիր է, որ օրթոպոզիտրոնիումային էլեկտրոն-պոզիտրոնի անիհիլացիան չի կարող ուղեկցվել երկու γ-քվանտի առաջացումով։ Երկու γ-քվանտներ միմյանց հանդեպ ունեն 1-ի հավասար մեխանիկական մոմենտ, և կարող են կազմել 1-ի, բայց ոչ 0-ի հավասար լրիվ մոմենտ, այդ պատճառով անիհիլացիան այս դեպքում ուղեկցվում է երեք γ-քվանտի ճառագայթումով, որոնց ընդհանուր էներգիան 1.022 ՄէՎ է։ Օրթոպոզիտրոնիումի առաջացումը երեք անգամ ավելի հավանական է, քան պարապոզիտրոնիումինը, քանի որ պոզիտրոնիումի երկու վիճակների վիճակագրական կշիռների հարաբերությունը (2s+1) 3։1 է։ Սակայն նույնիսկ կապված վիճակով զույգի (այսինքն՝ պոզիտրոնիումի առաջացումից հետո) անիհիլացիայի մեծ (մինչև 50 %) տոկոս ունեցող մարմիններում առավելապես ի հայտ են գալիս երկու γ-քվանտ և հազվադեպ՝ երեք։ Պատճառն այն է, որ պարապոզիտրոնիումի կյանքի տևողությունը մոտ 10−10 վ է, իսկ օրթոպոզիտրոնիումինը՝ մոտ 10−7 վ։ Երկարակյաց օրթոպոզիտրոնիումը, անընդհատ փոխազդելով միջավայրի ատոմների հետ, չի հասցնում անիհիլացվել՝ արձակելով երեք γ-քվանտներ, նախքան նրա կազմի մեջ մտնող պոզիտրոնը կանիհիլացվի հակուղղված սպիներ ունեցող կողմնակի էլեկտրոնների հետ՝ ճառագայթելով երկու γ-քվանտ։

Արգելակված պոզիտրոնի անիհիլացիայի ժամանակ առաջացած երկու գամմա-քվանտներից յուրաքանչյուրն ունի 511 կէՎ էներգիա և թռչում են հակառակ ուղղություններով։ Այս փաստը թույլ է տալիս որոշել այն կետը, որտեղ տեղի է ունեցել անիհիլացիան, և օգտագործվում է պոզիտրոն-էմիսիոնային տոմոգրաֆիայում։

2007 թ. փորձնականորեն ապացուցվել է երկու պոզիտրոնից և երկու էլեկտրոնից կազմված կապված համակարգի գոյությունը (մոլեկուլային պոզիտրոնիում)։ Նման մոլեկուլը էլ ավելի արագ է տրոհվում, քան ատոմար պոզիտրոնիումը։

Պոզիտրոնը բնության մեջ 
Համարվում է, որ Մեծ պայթյունից ակնթարթներ անց պոզիտոնների և էլեկտրոնների քանակությունը տիեզերքում մոտավորապես հավասար է եղել, սակայն սառելու ընթացքում այդ համաչափությունը խախտվել է։ Մինչև տիեզերքի ջերմաստիճանը չիջավ 1 ՄէՎ, ջերմային ֆոտոնները մշտապես նյութում պահպանեցին պոզիտրոնների որոշակի կոնցենտրացիա էլեկտրոն-պոզիտրոնային զույգերի առաջացման միջոցով (նման պայմաններ հիմա էլ գոյություն ունեն տաք աստղերի ընդերքներում)։ Տիեզերքում նյութի սառելուց հետո զույգերի առաջացման շեմից ցածր գտնվող պոզիտրոնների անհհիլացան։

Տիեզերքում պոզիտրոններն առաջանում են գամա-քվանտների և տիեզերական ճառագայթների մասնիկների փոխազդեցության, ինչպես նաև այդ մասնիկներից որոշների տրոհման ժամանակ (օրինակ՝ դրական մյուոնների)։ Այսպիսով, պոզիտրոններն առաջնային տիեզերական ճառագայթների մաս են կազմում, քանի որ էլեկտրոնների բացակայության դեպքում դրանք ստաբիլ են։ Գալակտիկայի որոշ հատվածներում նկատվել են 511 կէՎ էներգիայով անիհիլացիոն գամա-գծեր, ինչը վկայում է պոզիտրոնների ներկայությունը։

Արևային ջերմամիջուկային ռեակցիաների մի մասն ուղեկցվում է պոզիտրոնների էմիսիայով, որոնք անմիջապես անհիլացվում են շրջակա էլեկտրոնների հետ. այսպիսով, Արեգակի էներգիայի մի մասը անջատվում է պոզիտրոնների տեսքով։ Արեգակի միջուկում մշտապես որոշ քանակությամբ պոզիտրոններ կան, որոնք հավասարակշռության մեջ են ծնման և անիհիլացիայի պրոցեսների ընթացքում։

Որոշ բնական ռադիոակտիվ նյութեր բետա-տրոհման ժամանակ պոզիտրոններ են ճառագայթում։ Օրինակ՝ Կալիում-40 իզոտոպը։ Ռադիոակտիվ տրոհումների ժամանակ առաջացող, 1.022 ՄէՎ-ից մեծ էներգիայով գամմա-քվանտները կարող են էլեկտրոն-պոզիտրոնային զույգեր ծնել։

Էլեկտրոնային հականեյտրինոյի ( 1.8 ՄէՎ-ից մեծ էներգիայով) և պրոտոնի փոխազդեցության ժամանակ տեղի է ունենում հակադարձ բետա տրոհում՝ պոզիտրոնի առաջացումով՝

։

Բնության մեջ այս ռեակցիան տեղի է ունենում, քանի որ գոյություն ունի անտինեյտրինոների հոսք հակադարձ բետա-տրոհման շեմից բարձր էներգիայով, որն առաջանում է, օրինակ, բնական ռադիոակտիվ նյութերի բետա-տրոհման ժամանակ։

Տես նաև 
 Էլեկտրոն
 Բետա-մասնիկներ
 Պոզիտրոնիում
 Պոզիտրոնային ուղեղ

Ծանոթագրություններ

Գրականություն 
 Պոզիտրոնի բոլոր հայտնի հատկությունները նկարագրված են Particle Data Group փաստաթղթում։
 Климов А. Н. Ядерная физика и ядерные реакторы. М. Атомиздат, 1971.

Տարրական մասնիկներ
Լեպտոններ
Հականյութ
Քվանտային էլեկտրադինամիկա
Ֆիզիկայի հասկացություններ
Տարրական մասնիկների ֆիզիկա
Միջուկային ֆիզիկա
Ատոմային ֆիզիկա
Քվանտային մեխանիկա
Ֆերմիոններ
Քվանտային ֆիզիկա
Ճառագայթում
Ստանդարտ մոդել