Positon - Positron

Positron (antiélectron)
PositronDiscovery.png
Photographie de la chambre à nuages par CD Anderson du premier positron jamais identifié . Une plaque de plomb de 6 mm sépare la chambre. La déviation et la direction de la traînée d'ions de la particule indiquent que la particule est un positon.
Composition Particule élémentaire
Statistiques Fermionique
Famille Antilepton
Génération D'abord
Interactions Gravité , Electromagnétique , Faible
symbole
e+
,
??+
Antiparticule Électron
Théorisé Paul Dirac (1928)
Découvert Carl D. Anderson (1932)
Masse m e

9.109 383 56 (11) × 10 −31  kg
5,485 799 090 (16) × 10 −4  u

0,510 998 9461 (13)  MeV/ c 2
Durée de vie moyenne stable (identique à l'électron)
Charge électrique +1  et
+1,602 176 565 (35) × 10 −19  C
Tournoyer 1/2 (identique à l'électron)
Isospin faible LH : 0, RH :1/2

Le positon ou antiélectron est l' antiparticule ou la contrepartie antimatière de l' électron . Le positon a une charge électrique de +1  e , un spin de 1/2 (le même que l'électron) et a la même masse qu'un électron . Lorsqu'un positon entre en collision avec un électron, l' annihilation se produit. Si cette collision se produit à basse énergie, elle se traduit par la production de deux photons ou plus .

Les positons peuvent être créés par désintégration radioactive par émission de positons (par des interactions faibles ), ou par production de paires à partir d'un photon suffisamment énergétique qui interagit avec un atome dans un matériau.

Histoire

Théorie

En 1928, Paul Dirac a publié un article proposant que les électrons puissent avoir à la fois une charge positive et négative. Cet article a introduit l' équation de Dirac , une unification de la mécanique quantique, de la relativité restreinte et du nouveau concept de spin électronique pour expliquer l' effet Zeeman . Le papier n'a pas explicitement prédit une nouvelle particule mais a permis des électrons ayant l'énergie positive ou négative comme solutions . Hermann Weyl a ensuite publié un article discutant des implications mathématiques de la solution à énergie négative. La solution à énergie positive expliquait les résultats expérimentaux, mais Dirac était intrigué par la solution à énergie négative tout aussi valable que le modèle mathématique permettait. La mécanique quantique n'a pas permis d'ignorer simplement la solution de l'énergie négative, comme le faisait souvent la mécanique classique dans de telles équations ; la solution double impliquait la possibilité qu'un électron saute spontanément entre des états d'énergie positifs et négatifs. Cependant, aucune transition de ce type n'avait encore été observée expérimentalement.

Dirac a écrit un article de suivi en décembre 1929 qui tentait d'expliquer la solution inévitable de l'énergie négative pour l'électron relativiste. Il a soutenu que "... un électron avec une énergie négative se déplace dans un champ [électromagnétique] externe comme s'il portait une charge positive." Il a en outre affirmé que tout l'espace pouvait être considéré comme une "mer" d'états d'énergie négative qui étaient remplis, afin d'empêcher les électrons de sauter entre les états d'énergie positive (charge électrique négative) et les états d'énergie négative (charge positive). L'article a également exploré la possibilité que le proton soit une île dans cette mer, et qu'il pourrait en fait être un électron d'énergie négative. Dirac a reconnu que le proton ayant une masse beaucoup plus grande que l'électron était un problème, mais a exprimé « l'espoir » qu'une future théorie résoudrait le problème.

Robert Oppenheimer s'est fortement opposé au proton comme solution électronique à énergie négative à l'équation de Dirac. Il a affirmé que si c'était le cas, l'atome d'hydrogène s'autodétruirait rapidement. Persuadé par l'argument d'Oppenheimer, Dirac a publié un article en 1931 qui prédisait l'existence d'une particule non encore observée qu'il appelait un « anti-électron » qui aurait la même masse et la charge opposée qu'un électron et qui s'annihilerait mutuellement. au contact d'un électron.

Feynman , et plus tôt Stueckelberg , ont proposé une interprétation du positron comme un électron remontant dans le temps, réinterprétant les solutions à énergie négative de l'équation de Dirac. Les électrons remontant dans le temps auraient une charge électrique positive . Wheeler a invoqué ce concept pour expliquer les propriétés identiques partagées par tous les électrons, ce qui suggère que « ils sont tous les mêmes électrons » avec un complexe, l' auto-intersection Worldline . Yoichiro Nambu l' a appliqué plus tard à toute production et annihilation de paires particule-antiparticule, déclarant que « la création et l'annihilation éventuelle de paires qui peuvent se produire de temps en temps n'est pas une création ou une annihilation, mais seulement un changement de direction des particules en mouvement, de la passé au futur, ou du futur au passé." Le point de vue en arrière dans le temps est aujourd'hui accepté comme tout à fait équivalent à d'autres images, mais il n'a rien à voir avec les termes macroscopiques "cause" et "effet", qui n'apparaissent pas dans une description physique microscopique.

Indices expérimentaux et découverte

Les chambres à nuages ​​de Wilson étaient des détecteurs de particules très importants au début de la physique des particules . Ils ont été utilisés dans la découverte du positron, du muon et du kaon .

Plusieurs sources ont affirmé que Dmitri Skobeltsyn avait observé le positron pour la première fois bien avant 1930, voire dès 1923. Ils affirment qu'en utilisant une chambre à nuages Wilson pour étudier l' effet Compton , Skobeltsyn a détecté des particules qui agissaient comme des électrons mais se courbaient dans le direction opposée dans un champ magnétique appliqué, et qu'il a présenté des photographies de ce phénomène lors d'une conférence à Cambridge, du 23 au 27 juillet 1928. Dans son livre sur l'histoire de la découverte des positons de 1963, Norwood Russell Hanson a donné un compte rendu détaillé des raisons de cette affirmation, et c'est peut-être là l'origine du mythe. Mais il a également présenté l'objection de Skobeltsyn à cela dans une annexe. Plus tard, Skobeltsyn a rejeté cette affirmation encore plus fermement, la qualifiant de « rien d'autre que de la pure absurdité ».

Skobeltsyn a ouvert la voie à la découverte éventuelle du positron par deux contributions importantes : l'ajout d'un champ magnétique à sa chambre à nuages ​​(en 1925) et la découverte des rayons cosmiques des particules chargées , pour lesquelles il est crédité dans la conférence Nobel de Carl Anderson. Skobeltzyn a observé des traces probables de positons sur des images prises en 1931, mais ne les a pas identifiées comme telles à l'époque.

De même, en 1929, Chung-Yao Chao , un étudiant diplômé de Caltech , a remarqué des résultats anormaux indiquant que des particules se comportaient comme des électrons, mais avec une charge positive, bien que les résultats ne soient pas concluants et que le phénomène n'ait pas été poursuivi.

Carl David Anderson a découvert le positron le 2 août 1932, pour lequel il a remporté le prix Nobel de physique en 1936. Anderson n'a pas inventé le terme positron , mais l'a autorisé à la suggestion du rédacteur en chef du journal Physical Review à qui il a soumis son article de découverte. à la fin de 1932. Le positron fut la première preuve d' antimatière et fut découvert lorsqu'Anderson permit aux rayons cosmiques de traverser une chambre à nuages ​​et une plaque de plomb. Un aimant entourait cet appareil, provoquant la courbure des particules dans différentes directions en fonction de leur charge électrique. La traînée d'ions laissée par chaque positon est apparue sur la plaque photographique avec une courbure correspondant au rapport masse/charge d'un électron, mais dans une direction qui montrait que sa charge était positive.

Anderson a écrit rétrospectivement que le positron aurait pu être découvert plus tôt sur la base des travaux de Chung-Yao Chao, si seulement il avait été suivi. Frédéric et Irène Joliot-Curie à Paris avaient des preuves de positrons dans de vieilles photographies lorsque les résultats d'Anderson sont sortis, mais ils les avaient rejetés comme des protons.

Le positron avait également été découvert à l'époque par Patrick Blackett et Giuseppe Occhialini au Laboratoire Cavendish en 1932. Blackett et Occhialini avaient retardé la publication pour obtenir des preuves plus solides, Anderson a donc pu publier la découverte en premier.

Production naturelle

Les positrons sont produites naturellement dans β + désintégrations de l' état naturel des isotopes radioactifs (par exemple, le potassium 40 ) et dans les interactions des quanta gamma (émis par les noyaux radioactifs) avec la matière. Les antineutrinos sont un autre type d'antiparticule produite par la radioactivité naturelle (désintégration β ). De nombreux types d'antiparticules sont également produits par (et contenus dans) les rayons cosmiques . Dans une recherche publiée en 2011 par l' American Astronomical Society , des positrons ont été découverts au-dessus des nuages orageux ; les positons sont produits dans des flashs de rayons gamma créés par des électrons accélérés par de forts champs électriques dans les nuages. Des antiprotons ont également été trouvés dans les ceintures de Van Allen autour de la Terre par le module PAMELA .

Les antiparticules, dont les plus courantes sont les positons en raison de leur faible masse, sont également produites dans tout environnement présentant une température suffisamment élevée (énergie moyenne des particules supérieure au seuil de production de paire ). Pendant la période de baryogenèse , lorsque l'univers était extrêmement chaud et dense, la matière et l'antimatière étaient continuellement produites et annihilées. La présence de matière résiduelle et l'absence d'antimatière résiduelle détectable, également appelée asymétrie baryonique , sont attribuées à la violation CP : une violation de la symétrie CP reliant la matière à l'antimatière. Le mécanisme exact de cette violation au cours de la baryogénèse reste un mystère.

Production de positons à partir de radioactifs
??+
la désintégration peut être considérée à la fois comme une production artificielle et naturelle, car la génération du radio-isotope peut être naturelle ou artificielle. Le radio-isotope naturel le plus connu qui produit des positrons est peut-être le potassium-40, un isotope à longue durée de vie du potassium qui se présente comme un isotope primordial du potassium. Même s'il s'agit d'un faible pourcentage de potassium (0,0117 %), c'est le radio-isotope le plus abondant dans le corps humain. Dans un corps humain de 70 kg (150 lb), environ 4 400 noyaux de 40 K se désintègrent par seconde. L'activité du potassium naturel est de 31 Bq /g. Environ 0,001% de ces désintégrations de 40 K produisent environ 4000 positons naturels par jour dans le corps humain. Ces positons trouvent rapidement un électron, subissent une annihilation et produisent des paires de photons de 511 keV , dans un processus similaire (mais d'intensité beaucoup plus faible) à celui qui se produit lors d'une procédure de TEP en médecine nucléaire .

Des observations récentes indiquent que les trous noirs et les étoiles à neutrons produisent de grandes quantités de plasma positron-électron dans les jets astrophysiques . De grands nuages ​​de plasma positron-électron ont également été associés à des étoiles à neutrons.

Observation en rayons cosmiques

Des expériences satellitaires ont mis en évidence des positons (ainsi que quelques antiprotons) dans les rayons cosmiques primaires, représentant moins de 1 % des particules des rayons cosmiques primaires. Cependant, la fraction de positons dans les rayons cosmiques a été mesurée plus récemment avec une précision améliorée, en particulier à des niveaux d'énergie beaucoup plus élevés, et la fraction de positons s'est avérée être plus importante dans ces rayons cosmiques à plus haute énergie.

https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2015/03/aa25197-14/aa25197-14.html

These do not appear to be the products of large amounts of antimatter from the Big Bang, or indeed complex antimatter in the universe (evidence for which is lacking, see below). Rather, the antimatter in cosmic rays appear to consist of only these two elementary particles. Recent theories suggest the source of such positrons may come from annihilation of dark matter particles, acceleration of positrons to high energies in astrophysical objects, and production of high energy positrons in the interactions of cosmic ray nuclei with interstellar gas.

Les résultats préliminaires du spectromètre magnétique alpha ( AMS-02 ) actuellement en service à bord de la Station spatiale internationale montrent que les positons des rayons cosmiques arrivent sans directionnalité et avec des énergies allant de 0,5 GeV à 500 GeV. La fraction positron culmine à un maximum d'environ 16 % des événements électron+positon totaux, autour d'une énergie de 275 ± 32 GeV. A des énergies plus élevées, jusqu'à 500 GeV, le rapport positrons/électrons recommence à baisser. Le flux absolu de positons commence également à chuter avant 500 GeV, mais culmine à des énergies bien supérieures aux énergies des électrons, qui culminent à environ 10 GeV. Il a été suggéré que ces résultats d'interprétation sont dus à la production de positons dans les événements d'annihilation de particules massives de matière noire .

Les positons, comme les antiprotons, ne semblent provenir d'aucune région hypothétique "d'antimatière" de l'univers. Au contraire, il n'y a aucune preuve de noyaux atomiques d'antimatière complexes, tels que des noyaux d' antihélium (c'est-à-dire des particules anti-alpha), dans les rayons cosmiques. Ceux-ci sont activement recherchés. Un prototype de l' AMS-02 désigné AMS-01 , a été envoyé dans l'espace à bord de la navette spatiale Discovery sur STS-91 en juin 1998. En ne détectant aucun antihélium , l' AMS-01 a établi une limite supérieure de 1,1 × 10 − 6 pour le rapport de flux d' antihélium sur hélium .

Production artificielle

Des physiciens du Lawrence Livermore National Laboratory en Californie ont utilisé un laser court ultra-intense pour irradier une cible d' or d' un millimètre d'épaisseur et produire plus de 100 milliards de positons. Actuellement, la production en laboratoire importante de faisceaux de positons-électrons de 5 MeV permet d'étudier de multiples caractéristiques telles que la façon dont différents éléments réagissent aux interactions ou impacts de positons de 5 MeV, la façon dont l'énergie est transférée aux particules et l'effet de choc des sursauts gamma (GRB).

Applications

Certains types d' expériences avec des accélérateurs de particules impliquent la collision de positons et d'électrons à des vitesses relativistes. L'énergie d'impact élevée et l'annihilation mutuelle de ces opposés matière/antimatière créent une fontaine de diverses particules subatomiques. Les physiciens étudient les résultats de ces collisions pour tester les prédictions théoriques et rechercher de nouveaux types de particules.

L' expérience ALPHA combine des positons avec des antiprotons pour étudier les propriétés de l' antihydrogène .

Les rayons gamma, émis indirectement par un radionucléide émetteur de positons (traceur), sont détectés dans les scanners de tomographie par émission de positons (TEP) utilisés dans les hôpitaux. Les scanners TEP créent des images tridimensionnelles détaillées de l'activité métabolique dans le corps humain.

Un outil expérimental appelé spectroscopie d'annihilation de positons (PAS) est utilisé dans la recherche sur les matériaux pour détecter des variations de densité, des défauts, des déplacements, voire des vides, au sein d'un matériau solide.

Voir également

Les références

Liens externes