Антиматерия. Позитроны. Миры из антивещества

[Princess]

В современной фантастике использование антивещества описывается как естественный и привычный процесс: с его помощью звездолёты бороздят Галактику, а безумные злодеи взрывают планеты. Но откуда взялась столь необычная идея материи со знаком «минус»? И почему при всей её популярности и множестве экспериментальных подтверждений мы до сих пор не нашли способа использовать антивещество как оружие или двигатель?

Отрицательная материя

Во второй половине XIX века учёные пытались создать обобщающую теорию строения материи. В ходу тогда была концепция эфира, утверждавшая, что существуют мельчайшие частицы, которые наполняют всё сущее и передают наблюдаемые взаимодействия, в том числе и гравитацию.

Чтобы объяснить, как из эфирных частиц формируется материя, английский математик Карл Пирсон в книге «Грамматика науки» (The Grammar of Science, 1892) выдвинул гипотезу, что эфир — продукт более высокого, четвёртого измерения, а в нашем трёхмерном пространстве он проявляется как сочетание «эфирных струй». Пирсон не смог ответить, откуда и куда текут «струи», но предположил, что направление им задаёт взаимодействие материи нашего трёхмерного мира и «отрицательной» материи, скрытой в четвёртом измерении.

В 1898 году, вскоре после открытия электрона, идею «отрицательной» материи попытался развить английский физик Артур Шустер. Он был сторонником идеи глобальной симметрии, на основе которой и строил свои рассуждения. Как известно, электрон — это отрицательно заряженная субатомная частица, и физик предположил, что должен существовать и его «симметричный» аналог с положительным зарядом, называемый антиатомом.

Из идеи Артура Шустера следовала гипотеза о существовании «антиатомов» и «антивещества». В двух письмах в журнал Nature физик изложил гипотезу, а также высказал мысль, что из антивещества могут состоять некоторые космические объекты. Кроме того, он описал «аннигиляцию» (выделение энергии с полным уничтожением её источника), которая неизбежно произойдёт при контакте антивещества с веществом.

Письма в научный журнал не были полноценной теорией — скорее результатом случайного озарения. Коллеги восприняли их скептически, однако вскоре стало ясно, что идея Шустера не так уж далека от реальности.

В начале XX века физика зашла в тупик. Теория эфира, призванная описать мир, не подтверждалась экспериментами. На помощь пришла появившаяся в 1920-х квантовая механика. Параллельно сформировалась специальная теория относительности (релятивистская механика), которая описывает эффекты, проявляющиеся при очень больших скоростях. В какой-то момент учёные решили «скрестить» два предельных случая: большие скорости (релятивистская механика) и субатомные расстояния (квантовая механика). Довольно быстро вывели уравнение, связывающее две новые механики. Вот только решения этого уравнения приводили к парадоксам, в том числе к описанию частиц с отрицательными энергиями. Как такое возможно? Ответить на вопрос взялся английский физик Поль Дирак.
Море Дирака

Работы Поля Дирака вполне сопоставимы по значению с теорией Эйнштейна, но англичанин менее известен, чем прославленный коллега, поскольку отличался большой скромностью, а его замечательные открытия трудны для понимания. А ведь именно Дирак предложил изящный математический аппарат, позволяющий описывать процессы, происходящие на субатомном уровне. Благодаря своим формулам он сумел объяснить природу корпускулярно-волнового дуализма и описать так называемое «квантовое поле», то есть выразить через формулы всю совокупность состояний микрочастиц.

В 1927 году Дирак взялся применить специальную теорию относительности к субатомному миру. В результате он создал релятивистскую теорию электрона, которая через пять лет принесла ему Нобелевскую премию по физике. Однако открытие Дирака поставило перед учёными очередной трудный вопрос. Его формулы согласуются друг с другом, только если предположить, что во Вселенной ровно столько же антивещества, сколько и вещества. Но этого не наблюдается — иначе мы видели бы непрерывные аннигиляционные процессы, сопровождаемые мощным выделением энергии.

Чтобы объяснить парадокс, учёный придумал гипотетическую модель вакуума, позднее получившую название «море Дирака». Согласно этой модели, всё пространство заполнено «ненаблюдаемыми» электронами. При приложении внешней энергии электрон переходит с «ненаблюдаемого» уровня на «наблюдаемый». На его месте образуется «дырка», имеющая массу электрона, но противоположный заряд, — то есть рождается антиэлектрон. При аннигиляции (то есть при столкновении электрона и антиэлектрона) электрон снова заполняет «дырку» и становится «ненаблюдаемым», возвращая реальности то количество энергии, которое приобрёл ранее, когда переходил в «наблюдаемое» состояние.

Поскольку к моменту, когда Дирак сформулировал свою концепцию, физики знали о существовании всего трёх субатомных частиц — фотона (квант света), электрона (квант отрицательного заряда) и протона (квант положительного заряда), он предположил, что «дыркой» является протон. Коллеги встретили новую идею Дирака с большим скепсисом: протон в 2000 раз тяжелее электрона, и было неясно, из-за чего образуется подобная разница в массе.

Если Дирак прав, то получалось, что атом водорода состоит из электрона и «дырки». Поскольку электрон стремится занять состояние с меньшей энергией, то он неизбежно должен «упасть» на протон и аннигилировать, превратившись в гамма-кванты (фотоны высоких энергий). Молодой американский физик Роберт Оппенгеймер, будущий «отец» первой ядерной бомбы, посчитал, что в таком случае время жизни атома водорода составит 10^−10 секунды.

Посыпались насмешки. Например, швейцарец Вольфганг Паули заявил, что любую физическую теорию нужно применять прежде всего к её автору, — следовательно, Дирак должен давно исчезнуть во вспышке света. Даже великий Нильс Бор пошутил, заявив, что знает, как поймать слона: надо разместить на тропе, по которой слоны ходят на водопой, плакат с изложением концепции Дирака; слон прочтёт, задумается, и в этот момент его можно брать голыми руками.

Поль Дирак и сам понял, что протон не годится на роль «дырки», поэтому выдвинул новую гипотезу в сентябре 1931 года: «Дырка должна быть новым типом частицы, неизвестной ещё в экспериментальной физике. У неё должна быть та же масса, что и у электрона, а заряд — противоположный заряду электрона. Мы можем получить такие частицы экспериментально в высоком вакууме, где они будут вполне стабильны и доступны для изучения. Столкновение двух жёстких гамма-лучей должно привести к одновременному рождению электрона и антиэлектрона… протоны же должны иметь свои собственные состояния с отрицательной энергией».

Частица, описанная Дираком и получившая название «позитрон», была выявлена незадолго до появления гипотезы о её существовании. В 1929 году советский физик Дмитрий Скобельцын, изучая космические лучи, обнаружил частицы, которые по всем параметрам соответствовали электронам, но имели противоположный (положительный) заряд. К сожалению, Скобельцын не был знаком с теорией Дирака, поэтому не нашёл этому объяснений.

Осмысленный результат был получен, когда поисками позитронов занялся американский физик Карл Андерсон. В августе 1932 года он зарегистрировал их, исследуя космическое излучение. Теоретические выкладки Дирака и Шустера были подтверждены экспериментально.

Началась «охота» на позитроны. Ещё через два года знаменитые французские экспериментаторы-ядерщики Ирен и Фредерико Жолио-Кюри зафиксировали позитроны, рождающиеся в результате радиоактивного распада изотопов различных веществ. Тогда появилась альтернативная таблица химических элементов, составленная инженером Чарльзом Джанетом: она учитывала открытия в области квантовой механики и могла быть использована для описания антивеществ.

Однако позитрон — это всего лишь субатомная частица; антиатом должен состоять ещё из антинейтрона и антипротона. Зарегистрировать их оказалось гораздо сложнее. Антипротон был получен только в 1955 году на специальном ускорителе «Беватрон» в Лаборатории имени Лоуренса в Беркли; там же через год удалось по косвенным признакам определить наличие антинейтрона. В 1965 году в Европейском центре ядерных исследований были синтезированы ядра дейтерия (стабильного изотопа водорода), сложенные из антипротона и антинейтрона.

Бездна энергии

Складывалось впечатление, что антивещество — это нечто распространённое и доступное, ведь позитроны, как выяснилось, испускает даже человеческое тело (точнее, изотоп калий-40, который в нём содержится). И тут природа подбросила сюрприз.

Первооткрыватели антипротона и антинейтрона получили Нобелевскую премию, и о них активно писала пресса. Казалось, что ещё немного — и будет освоен источник неиссякаемой энергии за счёт аннигиляции. Например, подсчитано, что при взаимодействии 1 кг вещества с 1 кг антивещества выделится энергия, соответствующая взрыву 43 мегатонн тротила. Это сопоставимо с энерговыделением термоядерной «Царь-бомбы», которая весила 26,5 т. Поэтому футурологи конца 1950-х годов ожидали, что аннигиляция будет повсеместно использоваться на электростанциях или даже на звездолётах.

Идею фотонного двигателя выдвинул австрийский учёный Эйген Зенгер. Он вошёл в историю как конструктор межконтинентального бомбардировщика «Серебряная птица» (Silbervogel), который он проектировал во время войны для авиации Третьего рейха. В 1956 году Зенгер опубликовал солидную монографию «К механике фотонных ракет» (Zur Mechanik der Photonen-Strahlantriebe). Она почти сразу была переведена на русский язык и стала одним из источников вдохновения для Аркадия и Бориса Стругацких, которые в то время активно работали над своим первым романом «Страна багровых туч» (1959).

Идея Зенгера была проста: при контакте вещества и антивещества образуются фотоны высоких энергий; если их направить на поверхность с высокими отражающими свойствами (идеальное зеркало), то возникнет реактивный импульс, причём можно достичь скоростей, близких к световой. Растущая известность братьев Стругацких и многочисленные статьи, в которых популяризировалась идея фотонных ракет, сделали её актуальной на два десятилетия — по крайней мере, в советской литературе (кстати, на фотонной тяге летает и «Непобедимый» из одноимённого романа Станислава Лема).

Однако позднее выяснилось, что при аннигиляции получаются не чистые гамма-кванты, а довольно пёстрая смесь субатомных частиц, из-за чего две трети энергии невозможно использовать в двигателе. Серьёзные трудности вызывает и создание «идеального зеркала». Но самым сложным оказалось получить антивещество. Поиски, предпринятые астрономами, и исследования Солнечной системы с помощью межпланетных аппаратов показали, что в обозримом космосе нет гипотетических «неземельных» объектов Рожанского. Хуже того, никак не удаётся синтезировать достаточное количество антивещества, ведь добывать его можно только в огромных ускорителях частиц — «беватронах» и «тэватронах», а хранить придётся в сильном электромагнитном поле, поскольку, как мы помним, любое соприкосновение с веществом приводит к аннигиляции.

К настоящему моменту физики сумели синтезировать антиводород и антигелий; о более тяжёлых химических элементах даже речи не идёт. Причём количество искусственного антивещества ничтожно (отдельные атомы и ядра), а удержать его в магнитной «ловушке» удаётся всего несколько секунд. По оценке экспертов NASA, стоимость одного грамма антиводорода составит 62,5 триллиона долларов! То есть о каком-то промышленном использовании аннигиляции говорить не приходится.

Все эти проблемы заставили учёных задуматься о том, что принцип глобальной симметрии по каким-то причинам нарушен. То есть вполне вероятно, что в момент рождения Вселенной возникли примерно равные количества вещества и антивещества, но потом, после аннигиляции, осталось только «обычное» вещество, из которого и сложился весь известный нам мир.
Антиматерия. Миры из антивещества.
Гипотезу требовалось проверить, что и было сделано. Восемь лет продолжался эксперимент DZero на «Тэватроне» Национальной лаборатории имени Ферми в Батавии (штат Иллинойс). Исследователи из международной группы наблюдали сто триллионов столкновений протонов с антипротонами и обнаружили, что образующихся при аннигиляции мюонов на 1% больше, чем антимюонов.

Получается, что непосредственный опыт выявил фундаментальную асимметрию при рождении новых частиц: вещества всегда возникает больше, чем антивещества. Объяснения этому странному явлению нет. И до тех пор, пока оно не будет получено, мы не узнаем, куда исчезли антимиры, существующие сейчас лишь в нашем воображении.

[Princess]

Позитрон-это тот же электрон, но только с положительным знаком заряда.

Как видите, это давно и широко используется в медицине.

========================================================================
Позитро́нно-эмиссио́нная томогра́фия (позитронная эмиссионная томография, сокращ. ПЭТ, она же двухфотонная эмиссионная томография) — радионуклидный томографический метод исследования внутренних органов человека или животного. Метод основан на регистрации пары гамма-квантов, возникающих при аннигиляции позитронов с электронами. Позитроны возникают при позитронном бета-распаде радионуклида, входящего в состав радиофармпрепарата, который вводится в организм перед исследованием. Аннигиляция позитрона, остановившегося в веществе (в частности, в ткани организма), с одним из электронов среды порождает два гамма-кванта с одинаковой энергией, разлетающихся в противоположные стороны по одной прямой. Большой набор детекторов, расположенных вокруг исследуемого объекта, и компьютерная обработка сигналов с них позволяет выполнить трёхмерную реконструкцию распределения радионуклида в сканируемом объекте. Почти всегда ПЭТ-томограф комбинируется с КТ- или МРТ-сканером.

Позитронно-эмиссионная томография — активно развивающийся диагностический и исследовательский метод ядерной медицины. В основе этого метода лежит возможность при помощи специального детектирующего оборудования (ПЭТ-сканера) отслеживать распределение в организме биологически активных соединений, меченных позитрон-излучающими радиоизотопами. ПЭТ-сканирование с использованием фтордезоксиглюкозы (радиоактивный индикатор — фтор-18, 18F, сокр. англ. FDG-PET) широко используется в клинической онкологии.

История

Концепция эмиссионной томографии была предложена в конце 1950-х годов. Авторы концепции Дэвид Э. Кул, Люк Чепмен и Рой Эдвардс. Позже их работа привела к проектированию и созданию нескольких томографов в университете Пенсильвании. В 1975 методы томографического исследования доработали Майкл Тер-Погосян с сотрудниками в Washington University School of Medicine[1].
Радиофармпрепараты

Потенциал ПЭТ в значительной степени определяется арсеналом доступных меченых соединений — радиофармпрепаратов (РФП). Именно выбор подходящего РФП позволяет изучать с помощью ПЭТ такие разные процессы, как метаболизм, транспорт веществ, лиганд-рецепторные взаимодействия, экспрессию генов и т. д. Использование РФП, относящихся к различным классам биологически активных соединений, делает ПЭТ достаточно универсальным инструментом современной медицины. Поэтому разработка новых РФП и эффективных методов синтеза уже зарекомендовавших себя препаратов в настоящее время становится ключевым этапом в развитии метода ПЭТ.

На сегодняшний день в ПЭТ в основном применяются позитрон-излучающие изотопы элементов второго периода периодической системы:

углерод-11 (T½= 20,4 мин.);
азот-13 (T½ = 9,96 мин.);
кислород-15 (T½ = 2,03 мин.);
фтор-18 (T½ = 109,8 мин.).

Фтор-18 обладает оптимальными характеристиками для использования в ПЭТ: наибольшим периодом полураспада и наименьшей энергией излучения. С одной стороны, относительно небольшой период полураспада фтора-18 позволяет получать ПЭТ-изображения высокой контрастности при низкой дозовой нагрузке на пациентов. Низкая энергия позитронного излучения обеспечивает высокое пространственное разрешение ПЭТ-изображений. С другой стороны, период полураспада фтора-18 достаточно велик, чтобы обеспечить возможность транспортировки РФП на основе фтора-18 из централизованного места производства в клиники и институты, имеющие ПЭТ-сканеры (т. н. концепция сателлитов), а также расширить временны́е границы ПЭТ-исследований и синтеза РФП.

ПЭТ-сканирование с использованием фтордезоксиглюкозы (ФДГ-ПЭТ) широко используется в клинической онкологии. Этот трассёр представляет собой аналог глюкозы, который поглощается клетками, использующими глюкозу, и фосфорилируется гексокиназой (количество митохондриальной формы которой значительно повышается при быстрорастущих злокачественных опухолях). Обычная доза ФДГ, используемая при онкологическом сканировании, создаёт эффективную дозу облучения 14 мЗв при однократном применении. Поскольку для следующего этапа метаболизма глюкозы во всех клетках необходим атом кислорода, который заменён фтором-18 для синтеза ФДГ, дальнейших реакций с ФДГ не происходит. Кроме того, большинство тканей (за исключением печени и почек) не могут удалить фосфат, добавленный гексокиназой. Это означает, что ФДГ задерживается в любой клетке, которая его поглощает, пока она не распадается, поскольку фосфорилированные сахара из-за их ионного заряда не могут выйти из клетки. Это приводит к интенсивному радиоактивному мечению тканей с высоким поглощением глюкозы, таких как мозг, печень и большинство видов рака. ФДГ-ПЭТ можно использовать для диагностики, определения стадии болезни и мониторинга лечения злокачественных опухолей, особенно при лимфоме Ходжкина, неходжкинской лимфоме и раке лёгкого.

Испущенные бета-препаратом позитроны теряют энергию при движении в среде (термализуются, то есть остывают до кинетических энергий, соответствующих температуре среды). При их замедлении ниже определённой скорости становится возможным взаимодействие с электронами атомов вещества, с образованием на короткое время связанного состояния пары частица—античастица (Позитроний), которое может иметь суммарный спин 1 (орто-П.) и 0 (пара-П.), причем вероятность образования первого в 3 раза выше. Далее происходит аннигиляция электрона и позитрона с образованием 3 или 2 гамма-квантов соответственно. (Орто-П. может распадаться на любое нечетное число фотонов, но вероятность трехфотонного распада максимальна. Также возможна реакция позитрона с электроном атома, приводящая к рождению одного гамма-кванта, но вероятность этого процесса мала для легких атомов.) Общая энергия фотонов есть сумма 1022 кэВ и кинетической энергии П., а суммарный векторный импульс равен импульсу П.; причем для термализованного П. его вклады в энергию и импульс каждого фотона крайне малы, и тогда наиболее вероятны, в первом случае, рождение 3 гамма-квантов с энергией 341 кэВ, разлетающихся из центра равностороннего треугольника в направлении его углов, и во втором случае — рождение 2 гамма-квантов с энергией 511 кэВ, разлетающихся строго по одной прямой в противоположных направлениях. С учётом вероятностей образования орто-П. и пара-П., для каждого кольца телесного угла, на 9 фотонов о-П. приходится 2 фотона пара-П. Таким образом, если в двух подходящих детекторах гамма-квантов, включённых по схеме совпадений, одновременно поглощаются гамма-кванты с энергиями 511 кэВ, то следует ожидать, что точка аннигиляции находится на прямой, соединяющей эти два детектора, — на так называемой линии отклика. Используя большой набор детекторов, расположенных вокруг исследуемого объекта (или перемещая пару детекторов вокруг объекта), можно построить в пространстве множество таких прямых. Все они будут проходить через точки, в которых происходила аннигиляция (то есть через точки, где находится распавшееся ядро радионуклида — с точностью до очень короткой длины пробега позитронов в ткани).

Компания Siemens AG в своих ПЭТ/КТ устройствах применяет сцинтилляционные детекторы на основе монокристаллов оксиортосиликата лютеция (Lu2SiO5, LSO).
========================================================================================================================================

Ссылки

How Does It Work? Positron emission tomography / BMJ. 2003 Jun 28; 326(7404): 1449. doi: 10.1136/bmj.326.7404.1449 (англ.)
Positron Emission Tomography (PET), Test Overview / WebMD (англ.)
PET Scan, NHS (англ.)
Бекман И. Н. Курс лекций ЯДЕРНАЯ МЕДИЦИНА. Лекция 5. ПОЗИТРОННАЯ ЭМИССИОННАЯ ТОМОГРАФИЯ
Позитронно-эмиссионная томография / «Словарь медицинских терминов» фонда Подари Жизнь
Бойко Д. В. Позитронно‐эмиссионная томография в практике клинициста. Обзор.
Марусина М. Я., Казначеева А. О. Современные виды томографии, ИТМО 2006, глава 3 Позитронно-эмиссионная томография (с. 84—102).

[Princess]

Позитрон

1923 год. Д. Скобельцын изучает взаимодействие γ-квантов с электронной оболочкой атома. Для наблюдения треков электронов он впервые использовал камеру Вильсона, помещенную в магнитное поле. Этот метод регистрации позволял по кривизне трека измерять энергию электронов. Источник γ-квантов располагался рядом с камерой Вильсона. Анализируя полученные фотографии, Д. Скобельцын впервые получил ряд новых результатов о механизме взаимодействия γ-квантов с атомом: измерил величины сечений взаимодействия γ-квантов с различными атомами, измерил ионизационные потери при движении заряженной частицы в среде. Однако гораздо больший интерес вызвали наблюдаемые в камере Вильсона не искривленные в магнитном поле траектории электронов высоких энергий. О том, что эти траектории принадлежат электронам, Д. Скобельцын заключил по величине ионизации вдоль трека пролетающей в камере Вильсона частицы. Скобельцын сделал вывод, что эти треки принадлежат электронам космического излучения, но они не искривляются, т.к. имеют большие энергии. Вскоре эта гипотеза получила подтверждение − треки не исчезали после того, как был убран источник γ-излучения. Энергия космических электронов по оценкам Скобельцына составляла ~1 ГэВ. Неожиданно оказалось, что не все частицы искривлялись в магнитном поле в одном направлении. Некоторые частицы отклонялись так, как будто бы имели положительный заряд. Вначале эти следы приняли за положительно заряженные протоны. Однако характер ионизации вдоль трека был такой же, как в случае электронов. Для того, чтобы понять природу этих частиц необходимо было измерить направление движения частиц, измерить их энергию.
Результаты Д. Скобельцына и разработанный им метод детектирования частиц космического излучения вызвали большой интерес физиков. В нескольких лабораториях стали создавать аналогичные установки. В Кавендишской лаборатории этим занялись П. Блэкетт и Дж. Оккиалини, а в США эксперименты с камерой Вильсона в магнитном поле начал молодой научный сотрудник
К. Андерсон, работавший под руководством Нобелевского лауреата Дж. Милликена. К 1932 г. К. Андерсон получил несколько сотен фотографий космических частиц в камере Вильсона в магнитном поле. Так же как и Д. Скобельцын К. Андерсон наблюдал треки как отрицательно, так и положительно заряженных частиц.
В 1932 г. в журнале “Science” появилась заметка К. Андерсона, в которой он сообщал об открытии в составе космических лучей новой частицы. Эта частица имела такую же массу, как и открытый ранее электрон, но имела в отличие от электрона не отрицательный, а положительный электрический заряд. Это наблюдение было сделано Андерсоном по наблюдениям траекторий частиц в камере Вильсона в сильном магнитном поле.
Оказалось, что частицы космических лучей, которые наблюдал К. Андерсон, искривляются в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле, в противоположных направлениях, т.е. среди частиц зарегистрированных в камере Вильсона были как отрицательно, так и положительно заряженные частицы.

Рис. 3.1. Следы космических частиц, полученные Андерсоном в камере Вильсона, помещённой в магнитное поле 20000–25000 эрстед.

Карл Андерсон
(1905 – 1991

1932 г. − К. Андерсон открыл позитрон.

1937 г. − К. Андерсон, С. Недермейер, Дж. Стрит, С. Стивенсон открыли мюон в космических лучах, используя камеру Вильсона.

Нобелевская премия по физике

1963 г. − К. Андерсон. За открытие позитрона.

Для того чтобы определить направление движения частицы и тем самым определить знак её заряда, Андерсон использовал исключительно простой и оригинальный метод. Он перегородил камеру посередине свинцовой пластинкой толщиной 5 мм. При прохождении заряженной частицей свинцовой пластинки её энергия уменьшается и, следовательно, она должна сильнее искривляться в магнитном поле. Изменение энергии частицы указывало направление её движения и, следовательно, по направлению кривизны при её движении в постоянном магнитном поле можно было определить знак электрического заряда частицы. На рис. 3.2 показана одна из фотографий, полученных Андерсоном. Темная полоска посередине – свинцовая пластинка, в которой заряженная частица теряет энергию. В верхней части камеры над пластинкой траектория частицы искривлена значительно сильнее, чем в нижней. Это позволило однозначно определить направление движения частицы и знак её заряда.

Карл Андерсон
(1905 – 1991

Рис. 3.2. Наблюдение позитрона в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле. Тонкая изогнутая прерывистая линия, идущая снизу вверх – трек позитрона. Темная полоса, пересекающая трек посредине, слой вещества, в котором позитрон теряет часть энергии, и по выходе из которого двигается с меньшей скоростью. Поэтому трек искривлён сильнее.

Изучив ионизацию, длину траектории и радиус кривизны, Андерсон пришёл к однозначному выводу, что обнаруженная им частица имеет массу электрона, но заряжена положительно. Новую частицу назвали позитроном.
Первая интерпретация позитрона К. Андерсоном была вполне в духе времени. Он считал, что позитрон является составной частью нейтрона. По его представлению, нейтрон состоит из отрицательно заряженной массивной частицы – негатрона, отрицательно заряженного аналога протона и положительно заряженного позитрона и в первых работах даже предлагал организовать поиски негатрона. Несмотря на то, что в это время уже была опубликована статья П. Дирака, К. Андерсон был с ней незнаком, и его открытие позитрона не было поиском частицы, предсказанной Дираком, а честной интерпретацией обнаруженного им неизвестного явления, которое наблюдали многие физики, но отнесли его к неточностям эксперимента. Более подробно К. Андерсон опубликовал результаты об открытии позитрона в статье в журнале Phys. Rev. 43, 491 (1932).
Большая заслуга в признании позитрона, как новой независимой частицы, принадлежит П. Блэкетту и Дж. Оккиалини. Они впервые создали управляемую камеру Вильсона. Для этого они разместили над камерой Вильсона и под ней счетчики Гейгера, и камера Вильсона срабатывала только в том случае, когда через неё пролетала космическая частицы, зарегистрированная на совпадение счетчиками Гейгера. Это существенно повысило эффективность регистрации космических частиц и позволило получить большое количество снимков.
В работе, опубликованной в журнале Proc. Roy. Soc. 139, A839 (март 1933 г.) П. Блэкетт и Дж. Оккиалини описали разработанный ими метод регистрации космических частиц с помощью камеры Вильсона. В результате анализа ~500 фотографий были получены данные о природе ливней, наблюдающихся в камере Вильсона, и подтверждены выводы К. Андерсона о существовании позитрона.

П. Блэкетт, Г. Оккиалини: «Недавно нами был разработан метод, при помощи которого можно заставить очень быстрые частицы, сопровождающие космическое излучение, фотографировать самих себя или, точнее, следы своих собственных путей в камере Вильсона. При этом фотографии следов удается получить гораздо легче, чем обыкновенным способом, когда адиабатическое расширение делается наугад. В самом деле, только очень небольшая доля снимков, добытых прежним методом, позволяет обнаружить хотя бы один след. Среднее количество фотографий, требующихся для получения одного следа, тут зависит от размеров, ориентировки камеры и от эффективного времени расширения (не должно превышать 1/20 сек.). Из измерений со счетчиками известно, что по всем направлениям проходит через 1 см2 в 1 мин около 1,5 быстрых частиц. Эта цифра, в общем, согласуется с результатами, найденными с помощью камеры Вильсона. Скобельцын добился получения удачного снимка с одним или несколькими следами примерно через каждые десять расширений. А в работе Андерсона на 50 съемок приходился всего лишь 1 след с длиной пробега, отвечающей порядку измеренной энергии. Применение нашего метода дает следы на 80% всех сделанных снимков»[*].

После экспериментов Блэкетта и Оккиалини уже не было никаких сомнений, что позитрон − это новая частица. Кроме того им впервые удалось надежно зарегистрировать рождение электрон-позитронной пары при взаимодействии γ-квантов с веществом. Блэкетт и Оккиалини впервые указали на то, что позитрон является той самой частицей, которую предсказал незадолго до этого П. Дирак.
Вскоре выяснилось, что позитроны могут рождаться не только в космических лучах, но и под действием γ-квантов с энергией больше 1 МэВ. Если в камеру Вильсона поместить свинцовую пластинку и облучать её γ-квантами от радиоактивного источника с энергией γ-квантов >1 МэВ, то можно наблюдать две частицы, рождающиеся в одной точке, которые магнитным полем отклоняются в противоположные стороны, это электрон и позитрон. Рождение позитронов всегда происходит в паре с электроном.

γ → e+ + e-.

На рис. 3.3 показано рождение электрон-позитронной пары в камере Вильсона, заполненной криптоном.

Рис. 3.3. Рождение пары электрон-позитрон в камере Вильсона.

Открытие позитрона − частицы по своим характеристикам идентичной электрону за исключением знака электрического заряда (у позитрона он положительный) − было исключительно важным событием в физике. Еще в 1928 году П. Дирак предложил уравнение для описания релятивистской квантовой механики электрона. Оказалось, что уравнение Дирака имеет два решения, как с положительной, так и с отрицательной энергией. Состояние с отрицательной энергией описывает частицу аналогичную электрону, но имеющую положительный электрический заряд.

Открытие позитрона − частицы по своим характеристикам идентичной электрону за исключением знака электрического заряда (у позитрона он положительный) − было исключительно важным событием в физике. Еще в 1928 году П. Дирак предложил уравнение для описания релятивистской квантовой механики электрона. Оказалось, что уравнение Дирака имеет два решения, как с положительной, так и с отрицательной энергией. Состояние с отрицательной энергией описывает частицу аналогичную электрону, но имеющую положительный электрический заряд.

П. Блэкетт, Г. Оккиалини: «Согласно сообщению Андерсона, им найдено несколько следов, которые должны быть приписаны положительно заряженным частицам с ничтожной массой. Андерсон приводит подробное описание этих фотографий, хотя самые фотографии не воспроизведены. На одной из них о направлении движения можно однозначно заключить по изменению кривизны пути после прохождения насквозь свинцовой пластинки. На другой фотографии два следа, выходящие из пластинки, искривляются в противоположных направлениях. На третьей две частицы покидают пластинку, отклоняясь в ту сторону, куда отклонились бы положительные заряды. Длина пробега и характеристическая ионизация − всё это вместе с предыдущим дает Андерсону основание утверждать, что перед нами − положительно заряженные частицы с массой, значительно меньшей, чем масса протона».

П. Блэкетт, Г. Оккиалини. «Разрушение атомов космическими лучами и положительный электрон».

Позитрон был первой обнаруженной частицей из целого класса частиц, которые получили название античастицы. До открытия позитрона казалась загадочной различная роль положительных и отрицательных зарядов в природе. Почему существует тяжелый положительно заряженный протон, и нет тяжелой частицы с массой протона и отрицательным зарядом? Зато существует легкий отрицательно заряженный электрон. Открытие позитрона по существу восстановило зарядовую симметрию для легких частиц. В квантовой теории поля электрон и позитрон полностью равноправные частицы. Позитрон является стабильной частицей и может в пустом пространстве существовать, так же как электрон, бесконечно долго. Однако при столкновении электрона и позитрона происходит их аннигиляция. Электрон и позитрон исчезают, и вместо них рождаются два γ‑кванта (фотона):

е- + е+ → 2γ.

Происходит превращение частиц с массой отличной от нуля (масса электрона mc2 = 0.511 МэВ) в частицы с нулевой массой (фотоны).
Наряду с процессом аннигиляции был обнаружен и процесс рождения пары частиц – электрона и позитрона. Электрон-позитронные пары рождались γ-квантами с энергией несколько МэВ в кулоновском поле атомного ядра.
При взаимодействии частиц высокой энергии с веществом процессы рождения и аннигиляции частиц и античастиц приводят к рождению большого количества вторичных частиц порожденных высокоэнергетической первичной частицей – каскадных ливней (рис. 3.4, 3.5, 3.6).

Описан метод, с помощью которого удается заставить частицы, обладающие огромной энергией, фотографировать следы своих собственных путей в камере Вильсона.
Нарисована картина наиболее поразительных, характерных явлений, заснятых этим методом на некоторых из 500 удачных фотографий; подвергся обсуждению вопрос о природе «ливней», состоящих из частиц, дающих на снимках сочетание сразу нескольких и даже многих путей.
Рассмотрение пробега, ионизации, кривизны и направления движения частиц приводит к подтверждению взгляда, высказанного впервые Андерсоном, о том, что должны существовать частицы с положительным зарядом, но с массой, скорее сравнимой с массой электрона, чем прогона…
Разобран вопрос о происхождении положительных и отрицательных электронов в ливне… Последующее поведение положительных электронов рассмотрено в свете дираковской теории «дырок».

Патрик Блэкетт
(1897 – 1974)

blackett.jpg (6.32 KiB) 1033 просмотра

Нобелевская премия по физике

1948 г. − П. Блэкетт. За усовершенствование метода камеры Вильсона и сделанные в связи с этим открытия в области ядерной физики и космической радиации.

Рис. 3.4. Позитрон, созданный гамма-лучами в свинцовой пластине и прошедший сквозь алюминиевую пластину толщиной 0,55 мм. Энергия позитрона над алюминиевой пластиной 820 кэВ, под алюминиевой пластиной 520 кэВ.

П. Блэкетт, Г. Оккиалини: «Сделать первый шаг в раскрытии этих сложных явлений − значит, прежде всего, путем отождествления установить природу частиц, порождающих следы. Не совсем легко с этим справиться, так как данные, почерпнутые из фотографий и служащие для выводов, зачастую противоречивы. Однако, по-видимому, неизбежно следует придти к тому замечательному, рассеивающему затруднения заключению, которое уже сделал Андерсон при расшифровке аналогичных фотографий. Оно состоит в том, что некоторые из следов нужно приписать частицам, несущим положительный заряд, но имеющим массу, ничтожную сравнительно с массой протона».

Рис. 3.5. Развитие ливня в свинцовых пластинах.

Рис. 3.6. Развитие ливня в свинцовых пластинах.

[Princess]

П. Блэкетт, Г. Оккиалини: «Чтобы определить знак заряда частицы, надо знать, в каком направлении она двигалась вдоль следа. Есть четыре способа узнать об этом из фотографий:

Частица пронизывает достаточно толстую металлическую пластинку, так что по выходе из нее частица успела потерять заметную долю своей энергии. Очевидно, что в этом случае движение совершается со стороны большего значения Hρ в сторону меньшего. В противном случае пришлось бы допустить существование выигрыша энергии внутри пластинки, а эта возможность настолько маловероятна, что мы вправе ее отбросить. Если, при фотографировании попадется частица совсем медленная, тогда представляется случай обнаружить изменение Hρ, вызываемое благодаря непрестанной потере энергии во время прохождения частицы через газ.
С другой стороны, если частица служит причиной появления какой-либо вторичной частицы с достаточной энергией, скажем, при столкновении со свободным электроном, − тогда угол между вторичным следом и первичным, укажет направление движения частиц.
Если группа следов расходится из некоторой общей точки или некоторой малой области пространства, тогда существует очень большая вероятность − хотя и не сама достоверность, − что всякая частица такой группы движется, удаляясь от этой области.
Если след наблюдается в почти вертикальном направлении, то более вероятно, что частица двигалась вниз, а не вверх. В основу последнего предположения взят бесспорный факт, что ионизация под действием космического излучения увеличивается от глубин к высотам. Однако трудно оценить численно эту вероятность, поскольку не известна повторяемость таких явлений, как зафиксированное на рис. 13, где есть, по крайней мере, одна частица, отразившаяся кверху».

В классической физике понятия частицы и волны резко разграничены − одни физические объекты являются частицами, а другие − волнами. Превращение пары электрон-позитрон в фотоны стало дополнительным подтверждением представления о том, что между излучением и веществом много общего.

П. Блэкетт, Г. Оккиалини: «Очевидно, что существуют несколько различных процессов, дающих начало сложным путям ливней. В небольшом количестве случаев этот процесс совсем прост. Налетающая частица − обычно отрицательный или положительный электрон − выбивает из отдельного ядра, по всей вероятности, три или более частицы. Рис. 17 с большой наглядностью подтверждает, что налетающая частица выбрасывает из ядра меди 2 электрона (оба с Ee ≈ 13·106 V) наряду с одним протоном. Извержение могло сопровождаться также и другими частицами, но они, по-видимому, имели слишком недостаточную длину пробега, чтобы преодолеть толщу пластинки и выйти из нее. Рис. 13 дает картину двух электронов (Ee ≈ 10·106 и 13·106 V), вышибленных из ядра свинца книзу, и двух других, с большей энергией (Ee > 100·106 V), выбитых кверху. Возможно, что один из последних двух представляет собою налетающую частицу, взрывающую ядро, и тогда другой электрон − один из осколков, летящий при взрыве кверху. Возможно и то, что обе верхние частицы суть продукты разрушения ядра; тогда в этом случае саморазрушение придется приписать какому-то неионизующему агенту.
Однако оба эти случая − сравнительно простые при сопоставлении со сложной картиной обильных ливней. В этом наиболее типичном процессе наблюдается одновременное извержение некоторого числа частиц, вылетающих с огромной энергией. Эти частицы выбрасываются обыкновенно в направлениях, заключенных внутри довольно узкого конуса, но бывают случаи (рис. 12), когда этот конус, довольно широкий. Вполне естественно искать объяснение узкого конуса разлета частиц в том импульсе, который сообщается им в момент удара налетающей частицей, обладающей чрезвычайно большой энергией. Пока еще невозможно установить природу всех частиц, выброшенных из ядра, но, по-видимому, среди них преобладают отрицательные и положительные электроны; есть некоторые, правда, еще недостаточные указания, что в ряде случаев те и другие электроны выбиваются приблизительно в одинаковом количестве.
Возникновение этих частиц возбуждает огромный интерес; в частности, они, несомненно, часто зарождаются внутри материала с легким и средним атомным весом, поскольку излучающие центры обнаружены и в воздухе, и в стекле, и в алюминии, и в меди. Согласно самым последним представлениям о структуре ядра, в таких легких ядрах не должно быть свободных отрицательных электронов. А уже найдено, по крайней мере, положительных и отрицательных электронов, исходящих из отдельного точечного центра излучения в стекле, меди или свинце (рис. 12, 11 и 10) и, следовательно, по всей вероятности, из отдельного ядра.
Существует три возможных гипотезы, которые мы вправе сделать относительно появления этих частиц: они могли существовать в разрушенном ядре с самого начала, еще до акта соударения; они могли существовать в налетающей частице; наконец, они могли возникнуть в течение процесса соударения. За отсутствием каких-либо независимых доказательств самостоятельного существования частиц прежде сотрясения ядра разумно принять последнюю из этих трех гипотез. Затем, учитывая хорошо известные трудности, вырастающие при обращении с электронами внутри ядер как с независимыми механическими объектами, последняя гипотеза, быть может, и в этом смысле имеет большее преимущество. Тогда согласно этой гипотезе все ливни (вместе с обычным β-распадом) следует представлять себе как процесс возникновения частицы в прямом смысле этого слова.
Этот вопрос чрезвычайно близко связан с проблемой строения нейтрона. Согласно взгляду на нейтрон как на сложную частицу, отрицательные электроны в ливнях могут получиться при расщеплении каждого из нейтронов на отрицательный электрон и протон, но эта схема не дает объяснения возникновению положительных электронов. Кроме того, она приводит к тому, что нужно ожидать большего количества следов протонов на фотографиях, чем наблюдается в действительности».

П. Блэкетт, Г. Оккиалини: «Существование положительных электронов в этих ливнях немедленно вызывает естественный вопрос: почему же до сих пор они ускользали от наблюдения? Ясно, что они могут обладать только ограниченной продолжительностью жизни как свободные частицы, поскольку они не встречаются ни в одном веществе при нормальных условиях.
Вполне допустимо, что они могут входить в соединение с другими элементарными частицами и образовывать устойчивые ядра, переставая при этом быть свободными. Но кажется более приемлемым, что они исчезают при взаимодействии с отрицательным электроном, выбрасывая при этом 2 кванта или более.
Этот последний механизм дан непосредственно в дираковской теории электронов, Согласно этой теории, квантовые состояния в области отрицательной кинетической энергии, представлявшие прежде непреодолимое препятствие для физической интерпретации, почти все, за немногими исключениями, заполнены отрицательными электронами. Немногие незанятые состояния ведут себя подобно обыкновенным частицам с положительной кинетической энергией и положительным зарядом. Сам Дирак думал отождествить эти «дырки» с протонами, но от этого пришлось отказаться, когда было установлено, что у этих «дырок» должна быть такая же масса, как и у отрицательных электронов. Предстоит непосредственная и важная задача экспериментального определения массы положительного электрона точными измерениями его ионизации и Hρ. Сейчас же можно только сказать, что отсутствие разницы между ионизацией следов у отрицательных и положительных электронов при одинаковом Hρ стало достоверностью, а это косвенно служит временным доказательством равенства их масс.
По теории Дирака, положительные электроны имеют только очень короткую среднюю продолжительность жизни, пока какой-либо отрицательный электрон сверху не соскочит с легкостью вниз, в незанятое состояние. Таким образом «дырка» заполнится, и произойдет исчезновение сразу обоих − и положительного и отрицательного − электронов одновременно; при этом излучится 2 кванта энергии.
Мы чувствуем себя обязанными перед проф. Дираком не только за весьма ценное и неоднократное обсуждение этих вопросов, но также и за позволение привести результаты его вычислений по определению действительной вероятности этого процесса «аннигиляции» (исчезновения) электронов. Размеры поперечного сечения электронов при аннигиляции (в единицах площади) суть:

где

и γ = (1 − v2/c2)-1/2, а v − скорость положительного электрона».

В стабильных атомных ядрах существует определенное равновесное соотношение между числом протонов Z и числом нейтронов в ядре N

где A + Z + N. Если число протонов превышает это равновесное значение, то протон p в ядре может в результате β+-распада превратиться в нейтрон n, позитрон e+ и электронное нейтрино νe

p → n + e+ + νe.

Позитроны образуются при β+-распаде атомных ядер. Впервые позитроны образующиеся при β+-распаде наблюдали Ф. Жолио и И. Кюри.
Такой распад происходит только внутри атомного ядра. Свободный протон является стабильной частицей, т.к. его масса m(p) меньше суммы масс нейтрона m(n), позитрона m(e+) и нейтрино m(νe). Аналогичная ситуация имеет место и в случае ядер, перегруженных нейтронами относительно равновесного значения. Нейтрон n внутри ядра распадается, превращаясь в протон p, электрон e- и электронное антинейтрино антинейтриноe

n → p + e- + антинейтриноe.

Однако в отличие от протона распад свободного нейтрона возможен, т.к. масса покоя нейтрона m(n) больше суммы масс протона m(p), электрона m(e-) и электронного антинейтрино m(антинейтриноe). Распады протонов и нейтронов в атомном ядре привели к появлению чрезвычайно глубокой концепции физики частиц – в результате распада появляются новые частицы, которых не было в начальном состоянии. Протон, электрон и электронное антинейтрино не существуют внутри нейтрона, они образуются при β-распаде нейтрона. Эта концепция впервые была развита Э. Ферми в созданной им теории β-распада.
Процессы β‑распада, аннигиляции и рождения пар заставили по-новому осмыслить, что же такое элементарная частица. Элементарная частица перестала быть неизменным «кирпичиком» в строении материи. Возникла новая чрезвычайно глубокая концепция взаимного превращения элементарных частиц. Оказалось, что элементарные частицы могут рождаться и исчезать, превращаясь в другие элементарные частицы.

Дж. Чадвик, П. Блэкетт, Г. Оккиалини: «Опыты Андерсона и Блэкетта–Оккиалини позволили открыть такие явления в камере Вильсона, которые с большой убедительностью доказывают существование положительных электронов − частиц приблизительно с тою же массой, что и обычный электрон, но несущих с собою положительный элементарный заряд.
Некоторые явления, наблюдавшиеся при прохождении нейтронов через вещество, и опыты Кюри и Жолио, в которых был зафиксирован в камере Вильсона след от электрона, движущегося навстречу бомбардирующим нейтронам, заставили предположить возможность получения положительных электронов в процессе взаимодействия нейтронов и вещества. И действительно, на днях нам удалось заснять явления, которые могут быть истолкованы в этом смысле.
Препарат полония и бериллиевый экран были расположены в непосредственной близости к стенкам камеры Вильсона. К внутренней стенке камеры прикреплялся свинцовый экранчик с поверхностью около 2.5 см2 и в 2 мм толщиною. Этот свинцовый экранчик, следовательно, и фотографировался в то время, когда он подвергался действию излучения, шедшего от бериллия и состоявшего из γ-лучей и нейтронов. Съемка производилась посредством стереоскопической пары аппаратов. В течение расширения налагалось магнитное поле, напряженность которого обыкновенно была приблизительно 800 гаусс.
Большая часть следов, попавших на фотографии, судя по знаку их кривизны, очевидно, обязана своим происхождением отрицательным электронам. Но обнаружено немало и таких случаев, когда следы, имея один конец либо в самом свинцовом экранчике, либо поблизости от него, обладают кривизной противоположного знака. Одно из двух: или эти следы принадлежат частицам, несущим положительный заряд, или − отрицательным электронам, испущенным из разных отдаленных углов камеры и как-то так удачно собирающимся магнитным полем, что их следы заканчиваются как раз на свинцовой пластинке. С точки зрения статистики, конечно, гораздо более вероятен первый вариант объяснения, т.е. что следы начинаются в экранчике и, следовательно, прочерчены частицами, несущими положительный заряд.
Яркое доказательство этой гипотезы было получено путем расположения металлической пластинки поперек камеры с тем, чтобы перехватить пути частиц. При этом удалось получить пока лишь немного настолько хороших фотографий, чтобы след с положительной кривизной, пройдя через пластику, оставался бы в фокусе от начала до конца. Однако уже и эти фотографии не оставляют никаких сомнений в том, что частицы испускаются из свинцового экранчика или мест, поблизости от него; поэтому мы имеем здесь дело с положительно заряженными частицами. В одном случае пластинка представляла собою слой меди в 0.25 мм толщиною. В этом случае след со стороны обстреливаемой поверхности пластинки имел кривизну, соответствовавшую значению Hρ = 12700, а со стороны защищенной Hρ − 10 тыс. Это указывает на то, что частицы распространялись от экранчика через медную пластинку, теряя определенное количество энергии в пластинке. Изменение значения Hρ за время прохождения частицы через медь, примерно, то же самое, что и у отрицательного электрона, поставленного в те же самые условия. Характеристическая ионизация частицы также, примерно, такая же, что и у отрицательного электрона. Эти наблюдения согласуются с предположением, что масса и величина заряда положительной частицы − те же самые, что и для отрицательного электрона.
Каким способом получаются эти положительные электроны, еще пока неясно: зарождаются ли они под воздействием нейтронов, входящих в излучение бериллия, или благодаря сопровождающему нейтроны у излучению? Надо надеяться, что дальнейшие опыты, уже ведущиеся, разрешат этот вопрос»[†].

Источники позитронов

Позитроны образуются при распаде β+-радиоактивных ядер, большинство из которых получаются искусственным путем или остались на Земле как продукты нуклеосинтеза в звездах.

22Na − источник позитронов

В качестве источника позитронов широко используется изотоп 22Na. Период полураспада изотопа 22Na равен 2.6 года. В 90% случаев распад происходит в результате β+-распада

22Na → 22Ne + e+ + νe,

с образованием стабильного изотопа 22Ne (рис. 3.7).
В 10% случаев распад 22Na происходит в результате е-захвата

22Na + e- → 22Ne + νe.

Рис. 3.7. Радиоактивный источник позитронов 22Na.

Практически 100% распадов происходит на первое возбужденное состояние 22Ne с энергией E* = 1.27 МэВ, JP = 2+. Распад в основное состояние 22Ne JP = 0+ составляет 0.05%. Поэтому β+-распад 22Na практически всегда сопровождается появлением γ-кванта с энергией 1.27 МэВ.
[*] Опубликовано в Proc. Roy. Soc. 139, A839, 639 (март 1933); перевод В. В. Бовина. УФН, т. 33, вып. 7 (1933). «Разрушение атомов космическими лучами и положительный электрон». Название статьи в английском оригинале: Some Photographs of the Tracks of Penetrating Radiation.
[†] J. Chadwick, P. M. S. Blackett & G. Occhialini. “New Evidence for the Positive Electron”, Nature 131, 473 (April 1933)