Positroi

Positroia, edo antielektroia, elektroiaren antipartikula da. Elektroiaren spin bera (1/2) eta masa bera dituen leptoia (spin erdia duen partikula) da, baina kontrako karga elektrikoa (+1e) du. Antimateria-partikula bat da eta, elektroi batekin talka egitean, deuseztapena gertatzen da. Talka hori energia baxuetan gertatzen bada, bi fotoi edo gehiago ekoizten dira.

Positroiak positroi-igorpenaren desintegrazio erradioaktiboaren bidez sor daitezke (elkarrekintza ahulen bidez), edo, bestela, material batean atomo batekin interakzioan ari den fotoi aski energetiko batetik bikoteak ekoitziz.

 Historia 

 Teoria 
1928. urtean, Paul Diracek artikulu bat publikatu zuen, non elektroiak karga positibo eta negatiboa izan dezaketela proposatu zuen. Lan horretan, Diracen ekuazioa aurkeztu zuen. Ekuazio honek mekanika kuantikoaren, erlatibitate bereziaren eta garaian berria zen elektroiaren spinaren kontzeptuak bateratzea zuen helburu, Zeemanen efektua azaltzeko. Hala ere, ez zuen esplizituki partikula berri bat aurresaten, baina elektroiak karga positibo edo negatiboa erantzun bezala izateko aukera eman zuen. Hermann Weylek orduan, artikulu bat argitaratu zuen, energia negatiboaren soluzioaren inplikazio matematikoak eztabaidatuta zituen. Energia positiboaren soluzioak emaitza esperimentalak erakusten zituen, baina Diraci energia negatiboarenak nahasten zitzaizkion, nahiz eta eredu matematikoak soluzioa baliozkotu. Mekanika kuantikoak ez zuen energia negatiboaren soluzioa baztertzen uzten; ebazpen dualak elektroi batek egoera positibo eta negatiboaren artean berezko jauziak egiteko posibilitatea zekarren. Hala ere, horrelako trantsizioak ez dira oraindik esperimentalki behatu.

1929ko abenduan, Diracek elektroi erlatibistarentzako energia negatiboaren soluzio saihestezina azaltzen saiatu zen. Argudiatu zuen: "... energia negatiboa duen elektroi bat kanpo-eremu [elektromagnetiko] batean mugitzen da, karga positiboa izango balu bezala". Gainera, espazio guztia beteta zeuden energia negatiboaren egoeren "itsaso" gisa kontsidera daitekela baieztatu zuen, energia positiboko (karga elektriko negatiboa) eta energia negatiboko (karga elektriko positibo) egoeren artean elektroien jauziak saihesteko. Halaber, protoia itsaso horren irla izatearen posibilitatea aztertzen zuen, eta honek benetan energia negatiboko elektroi bat izan zitekeela. Diracek onartu zuen protoiaren masa elektroiarena baino askoz handiagoa izatea arazo bat zela, baina etorkizuneko teoria batek auzia konponduko zuen "itxaropena" adierazi zuen.

Robert Oppenheimerrek sendo argudiatu zuen protoiak Diracen ekuazioaren energia negatiboko soluzioa izatearen kontran. Hori horrela izanda, hidrogeno atomoak azkar autosuntsituko zirela adierazi zuen. Weylek 1931n erakutsi zuen energia negatiboko elektroiak energia positiboko elektroiaren masa bera izan behar zuela. Oppenheimerren eta Weylen argumentuarekin konbentzituta, Diracek 1931n oraindik behatu gabeko partikula baten existentzia aurresan zuen. Partikula honi "antielektroi" deritzo, eta elektroi baten masa berekoa eta karga kontrakoa zela, eta elektroi batekin kontaktuan egotean haien artean suntsituko zirela adierazi zuen.

Richard Feynmanek, eta lehenago Ernst Stueckelbergek, positroiaren interpretazio bat proposatu zuen, denboran atzerantz mugitzen zen elektroia zela adieraziz,  Diracen energia negatiboaren ekuazioaren emaitzak berrinterpretatuz. Denboran atzerantz mugitzen diren elektroiak karga positiboa izango lukete. John Archibald Wheelerek kontzeptu hau aipatu zuen elektroi guztiek partekatzen duten propietate bera azaltzeko, Unibertso-lerro konplexu eta autointersektiboarekin "guztiak elektroi bera direla" iradoki zuen. Yoichiru Nambok geroago hau partikula-antipartikula pareen produkzio eta suntsiduran aplikatu zuen. Gaur egun, denboran atzeranzko ikuspuntua onartzen da beste irudien baliokide gisa, baina ez du zerikusirik "kausa" eta "efektu" termino makroskopikoekin, ez direnak agertzen deskribapen fisiko mikroskopikoan.

 Aurkikuntza eta froga esperimentalak 
Dimitri Skobeltsyn-ek positroiaren aurkikuntzaren oinarria ezarri zuen 1925ean bi ekarpen nagusiren bidez: Wilsonen laino-ganbera batean eremu magnetiko bat jarriz, eta baita partikula kargatuen erradiazio kosmikoaren aurkikuntzaren bidez. Azken hau, Carl David Anderson-ek, Nobel Saria irabaztean, aipatu zuen. Horrez gain, 1931n ateratako irudietan, positroiaren antzeko arrastoak ikusi zituen Skobeltsynek, baina garai hartan ez zituen positroi gisa identifikatu.

Bestalde, 1929an Caltech unibertsitateko graduondoko Chung-Yao Chao ikasleak, emaitza batzuei erreparatuz, elektroien antzeko portaera zuten partikulak antzeman zituen, baina karga positibodunak. Hala ere, emaitzak ez ziren argiak izan eta ikerketa bertan behera utzi zuten.

Azkenean, Carl David Andersonek deskubritu zuen positroia 1932ko abuztuaren 2an, eta Fisikako Nobel Saria irabazi zuen 1936an. Alabaina, positroi hitza ez zuen berak hautatu, Physical Review aldizkariko editoreak baizik, bertan argitaratu baitzuen Andersonek aurkikuntzaren artikulua.

Positroia izan zen antimateriaren existentziaren lehen froga. Horretarako, Andersonek bere esperimentuan izpi kosmikoak laino-ganbera eta berun-xafla batetik zehar igarotzen utzi zituen. Haren inguruan iman bat kokatu zuen, partikulak kargaren arabera alde batera edo bestera kurbatzeko. Positroiek utzitako arrasto ionikoak plaka fotografikoan agertzen ziren, haien kurbadurak elektroien karga-masa erlazioa betetzen zutelarik, baina karga positiboko norabidean.

Geroago, Andersonek adierazi zuen positroia lehenago aurki zitekeela Chung-Yao Chaoren lanari jarraipena eman izan balitzaio. Beste alde batetik, Frédéric eta Irène Joliot-Curie zientzialari paristarrek positroiaren existentziaren froga fotografikoak zituzten gordeta, baina protoitzat jo zituzten.

Aldi berean, Patrick Blackett-ek eta Giuseppe Occhialini-k positroia deskubritu zuten Cavendish Laborategian 1932an. Dena dela, aurkikuntzaren argitalpena atzeratzea erabaki zuten eta Anderson aurreratu zitzaien.

 β+ Desintegrazioa 
Fisika nuklearrean, beta desintegrazioa beta partikula bat (elektroi bat edo positroi bat) igortzen duen desintegrazio erradioaktiboa da. Elektroien igorpenaren kasuan, "beta minus" (β−) deritzo, eta positroiaren kasuan "beta plus" (β+).
β+ desintegrazioan, protoi batetik neutroi bat, positroi bat (e+) eta neutrino bat ( e) ekoizteko erabiltzen da energia:

Beta plus desintegrazioa gertatzeko, nukleo umeen lotura-energiaren balio absolutuak nukleo gurasoarena baino handiagoa izan behar du. Bi energia hauen arteko diferentzia da, hain zuzen, protoi batetik neutroi bat, positroi bat eta neutrino bat sortzeko eta partikula berri hauen energia zinetikoa ekoizteko balio duena.

Protoia eta neutroia nukleo atomiko baten osagaiak badira, desintegrazioaren ondorioz elementu kimiko bat beste elementu bat bihurtzen da. Esaterako:

 Elektroi-positroi deuseztapena 
Positroiak egonkorrak dira hutsean; hala ere, baldin materia arrunta dagoen leku batean badaude, azkar erreakzionatzen dute elektroiekin. Erreakzio honen ondorioz elektroi-positroi deuseztapena gertatzen da. 
Deuseztapen horretan, gamma erradiazioko bi fotoi sortzen dira, kontrako noranzkoetan bidaiatzen dutenak eta energia bera baina kontrako momentua dutenak. Hortaz, materia energia bihurtzen da Einsteinen erlazioaren arabera.  

 Breit-Wheeler prozesua 
Breit–Wheeler prozesua 1934an deskribatu zuten lehen aldiz Gregory Breit (1899–1981) eta John A. Wheeler-ek (1911–2008). Bi fotoien talkak elektroi–positroi bikote baten sorrera eragiten du. Energia kontserbatzeaz gain (fotoi bakoitzak gutxienez 511 keV izan behar ditu), karga osoa, zero dena, eta momentuaren kantitatea ere kontserbatzen dira. Ekuazioa honakoa da: 
alt=Breit-Wheeler prozesua|thumb|Breit-Wheeler prozesua

Prozesu hau funtsezkoa da astrofisikan, 10 TeV-tik gorako energia duten gamma izpien detekzioa mugatzen duelako, izpi horiek prozesu hau jasaten dutelako.

Bestalde, posiblea da energia handiko fotoi bakar bat elektroi–positroi bikote bihurtzea. Horri Breit–Wheeler prozesu ez-lineala esaten zaio. Ekuazioa honakoa da:

 Produkzio artifiziala 
2008ko azaroan, Kaliforniako Lawrence Livermore Laborategi Nazionalako fisikariek adierazi zuten ultra intentsitateko laser motz batekin milimetro batezko urre lamina bat irradiatuz 100 bilioi positron inguru sortu zutela. Deuseztapena baino lehen, positroiek elektroiek bezalako jokabidea dutenez, elektroiak detektatzeko makina bat erabiliz (espektrometro bat) eta honi kontrako kargako partikulak detektatzeko ahalmena ematen zion ekipoa gehituz gai izan ziren positroiak detektatzeko.

2023an CERNak eta Oxfordeko Unibertsitateak elkarrekin lan egin zuten esperimentu baterako HiRadMat instalazioan. Honetan milisegundoko durazioa zuten 10 trilioi elektroi-positroi sorta sorrarazi zuten. Hau laborategian lehendabiziko sortutako "bikote plasma" izan zen, beharrezko dentsitatea plasma kolektibo portaera betetzeko zuelako. Etorkizuneko esperimentuek ahalbidetzen dute elektroi-positroi bikote ugari sortzen diren astrofisika-ingurune muturrekoekin lotutako fisika aztertzeko, hala nola gamma izpien eztandak, irrati-uhinen eztanda azkarrak eta blazar-jarioak.

 Erabilerak 
Nahiz eta positroiak medikuntzan duten erabilerarengatik ezagunak diren, beste zenbait erabilera dituzte halaber. Positroiak partikula berrien bilaketan eta solidoen analisirako oso erabiliak dira gaur egun.

 Positroien igorpen-tomografia 
Positroien igorpen-tomografia, PET (Positron Emission Tomography) izenez ezagutzen dena, medikuntzan diagnostikoak egiteko eta biomedikuntzako ikerketetan erabiltzen den teknika da. Tomografia hauek PET eskanerren bitartez egiten dira eta gorputzaren barruko jarduera metabolikoaren hiru dimentsioko irudi zehatzak sortzen dituzte. 

PET bat egiteko, gaixoaren gorputzean konposatu kimiko bat injektatzen da. Konposatu horrek nukleido erradioaktiboak ditu eta hauek bizitza laburreko positroiak igortzen dituzte. Erradionukleido ezberdinak daude: adibidez, karbono-11 (erdibizitza: T½ = 20,4 min), nitrogeno-13 (T½ = 9,96 min), oxigeno-15 (T½ = 2,1 min) eta fluor-18 (T½ = 109,8 min). Erradionukleidoak desintegratzean, positroiak emititzen dira. Positroi horiek inguruko molekulek dituzten elektroiekin deuseztatzen dira eta bi fotoi igortzen dira.  Bi fotoi horiek aldi berean detektatzen dituzte emisio-puntuarekiko aurkako posizioetan dauden hodi fotobiderkatzaileek. Detektagailu hauek lortutako datuak software baten bidez aztertu, integratu eta berreraikitzen dira, eskaneatu nahi diren organoen irudiak sortzeko.
PET tomografia tresna baliotsua bihurtu da minbizia eta minbiziaren metastasia detektatzeko eta bihotzeko gaixotasunak ebaluatzeko. PET azterketei esker, zientzialariek hobeto ulertu ahal izan dute farmakoek nola eragiten dioten muinari, eta zer gertatzen den ikaskuntzan, hizkuntzaren erabileran eta garuneko zenbait asalduratan, hala nola iktusean, depresioan eta Parkinsonen gaixotasunean. Gainera, zientzialariak lanean ari dira PET tomografiak erabiltzeko moduak aurkitzeko, trastorno neurologikoen eta trastorno mentalen izaera biokimikoa identifikatzeko eta pazienteengan tratamenduaren eraginkortasuna zehazteko. PET tomografiei esker deprimitutako pertsonen muinean aldaketa esanguratsuak gertatu direla jakinarazi da, eta aldaketa horien kokapena ezagutzeak depresioaren zergatiak ulertzen eta tratamendu espezifikoen eraginkortasuna monitorizatzen laguntzen die ikertzaileei. 

 Partikula-azeleragailuak 
Partikula-azeleragailuen  esperimentu mota batzuek positroiak eta elektroiak abiadura erlatibistetan talka egitea eragiten dute. Inpaktu handiko energiak eta materia-antimateria kontrako hauek elkar deuseztatzeak askotariko partikula subatomikoen iturria sortzen dute. Fisikariek talka horien emaitzak aztertzen dituzte, iragarpen teorikoak frogatzeko eta partikula mota berriak bilatzeko. Esaterako, ALPHA esperimentuak positroiak eta antiprotoiekin konbinatzen ditu antihidrogenoaren propietateak aztertzeko.

 Solidoen analisia 
Materialen ikerketan, positroia deuseztatzeko espektroskopia (PAS) izeneko tresna esperimental bat erabiltzen da material solido baten barruan dentsitatearen aldaketak, akatsak, desplazamenduak edo baita hutsuneak ere detektatzeko.

 Positroia zientzia-fikzioan 

 Dudarik gabe positroiak Isaac Asimovek sortutako roboten eleberrietan ospea lortu zuen. Partikula hau funtsezkoa izan zen bidezidor positronikoak fabrikatzeko, non bertan programatuko zen gero robota, neurona mekanikoen ordez. Oro har, bidezidorrak lotu eta kontu handiz kokatzen ziren buruan. Egileak bizirik zegoela onartu zuen partikula hori burmuin robotikoen oinarri gisa hartu zuela, duela gutxi deskubritu baitzen, garaiko irakurleen interesa erakartzeko.

Halaber, positroia sail desberdinetan erabili zen, arma eta botereen energia-iturri gisa:

 Digimon Adventure 02an, Imperialdramon izeneko Digimonak "Laser Prositroniko" erasoa erabiltzen du.
Hideaki Annoren Neon Genesis Evangelion-en, errifle positronikoa erabiltzen da aingeru inbasoreen aurka.
Star Trek saga berrian, Data androideak garun positroniko bat erabiltzen du.
GhostBusters filman, mamuak harrapatzeko positroi-izpiak erabiltzen dira.
Supergirl seriean, DEOk eta AEBetako presidenteak positroi-kanoi bat erabili nahi du armada daxamita suntsitseko. 
Tenet filman positroiaren fisika eredu bezala erabiltzen du denboran atzera bidaiatzeko aukera legitimatzeko, denbora-lerroa inbertituz.

 Erreferentziak 

 Ikus, gainera 

 Elektroia
 Partikula subatomikoa
 Antipartikula

 Kanpo estekak 

Kategoria:Oinarrizko partikulak
Kategoria:Partikula azpiatomikoak
Kategoria:Partikulen fisika
Kategoria:Antimateria
Kategoria:Leptoiak
Kategoria:Elektroia