Positrón

El positrón o antielectrón es una partícula elemental, antipartícula del electrón.[2] Posee la misma cantidad de masa y espín que el electrón; sin embargo, su carga es de 1e, mientras que la del electrón es de -1e.[3] No forma parte de la materia ordinaria, sino de la antimateria, aunque se producen en numerosos procesos radioquímicos como parte de transformaciones nucleares.

Positrón e+ β+, e+

Fotografía en una cámara de niebla por C.D. Anderson, del primer positrón identificado. Una lámina de plomo de 6 mm separa la mitad superior de la cámara de la mitad inferior. El positrón debe haber venido de abajo ya que la parte superior de la pista se dobla con mayor fuerza en el campo magnético lo que indica una menor energía.
Clasificación partículas elementales
Familia fermión
Grupo leptón
Generación Primera
Interacción Gravedad,
Electromagnetismo,
Nuclear débil
Partícula electrón
Teorizada Paul Dirac (1928)
Descubierta Carl David Anderson (1932)
Masa 9,10938215 × 10−31 kg
1/1822,88849 uma
Carga eléctrica +1,602176487 × 10−19 C[1]
Momento magnético −1.00115965218111 μB
Carga de color -
Espín ± 1/2

Esta partícula fue predicha por Paul Dirac en 1928, para luego ser descubierta en 1932 por el físico estadounidense Carl David Anderson al fotografiar las huellas de los rayos cósmicos en una cámara de niebla.

En la actualidad, los positrones son rutinariamente utilizados en medicina nuclear como la tomografía por emisión de positrones.

Historia

Teoría

En 1928, Paul Dirac publicó un artículo en el que proponía que los electrones pueden tener tanto carga positiva como negativa.[4] Este artículo introdujo la ecuación de Dirac, una unificación de la mecánica cuántica, la relatividad especial y el entonces nuevo concepto de espín del electrón para explicar el efecto Zeeman. El documento no predecía explícitamente una nueva partícula, pero permitía que los electrones tuvieran como soluciones de energía positiva o negativa. Hermann Weyl publicó entonces un artículo en el que discutía las implicaciones matemáticas de la solución de energía negativa.[5] La solución de energía positiva explicaba los resultados experimentales, pero a Dirac le desconcertaba la solución de energía negativa, igualmente válida, que permitía el modelo matemático. La mecánica cuántica no permitía simplemente ignorar la solución de energía negativa, como hacía a menudo la mecánica clásica en tales ecuaciones; la solución dual implicaba la posibilidad de que un electrón saltara espontáneamente entre estados de energía positiva y negativa. Sin embargo, todavía no se había observado experimentalmente ninguna transición de este tipo.[4]

Dirac escribió un artículo de seguimiento en diciembre de 1929[6] que intentaba explicar la inevitable solución de energía negativa para el electrón relativista. Argumentó que "... un electrón con energía negativa se mueve en un campo [electromagnético] externo como si llevara una carga positiva". Afirmó además que todo el espacio podía considerarse como un "mar" de estados de energía negativa que estaban llenos, para evitar que los electrones saltaran entre estados de energía positiva (carga eléctrica negativa) y estados de energía negativa (carga positiva). El documento también exploraba la posibilidad de que el protón fuera una isla en este mar, y que en realidad pudiera ser un electrón de energía negativa. Dirac reconoció que el hecho de que el protón tuviera una masa mucho mayor que la del electrón era un problema, pero expresó su "esperanza" de que una teoría futura resolviera la cuestión. Robert Oppenheimer argumentó fuertemente en contra de que el protón fuera la solución de energía negativa del electrón a la ecuación de Dirac. Afirmó que si lo fuera, el átomo de hidrógeno se autodestruiría rápidamente.[7] Weyl demostró en 1931 que el electrón de energía negativa debe tener la misma masa que el electrón de energía positiva.[8] Persuadido por el argumento de Oppenheimer y Weyl, Dirac publicó un artículo en 1931 que predecía la existencia de una partícula aún no observada a la que llamó "antielectrón" que tendría la misma masa y la carga opuesta a la de un electrón y que se aniquilaría mutuamente al entrar en contacto con un electrón.[9]

Richard Feynman, y anteriormente Ernst Stueckelberg, propusieron una interpretación del positrón como un electrón que se mueve hacia atrás en el tiempo,[10] reinterpretando las soluciones de energía negativa de la ecuación de Dirac. Los electrones que se mueven hacia atrás en el tiempo tendrían una carga eléctrica positiva. John Archibald Wheeler invocó este concepto para explicar las propiedades idénticas compartidas por todos los electrones, sugiriendo que "todos son el mismo electrón" con una Línea de universo compleja y autointersectiva.[11] Yoichiro Nambu lo aplicó más tarde a toda la producción y aniquilación de pares partícula-antipartícula, afirmando que "la eventual creación y aniquilación de pares que puede ocurrir ahora y entonces no es creación ni aniquilación, sino sólo un cambio de dirección de las partículas en movimiento, del pasado al futuro, o del futuro al pasado."[12] El punto de vista hacia atrás en el tiempo se acepta hoy en día como completamente equivalente a otras imágenes, pero no tiene nada que ver con los términos macroscópicos "causa" y "efecto", que no aparecen en una descripción física microscópica.

Pistas experimentales y descubrimiento
Wilson Las cámaras de nubes solían ser detectores de partículas muy importantes en los primeros días de la física de partículas. Se utilizaron en el descubrimiento del positrón, el muón y el kaón

.

Varias fuentes han afirmado que Dmitri Skobeltsyn observó por primera vez el positrón mucho antes de 1930,[13] o incluso ya en 1923.[14] Afirman que mientras utilizaban una Cámara de niebla de Wilson [15] para estudiar el efecto Compton, Skobeltsyn detectó partículas que actuaban como electrones pero que se curvaban en sentido contrario en un campo magnético aplicado, y que presentó fotografías con este fenómeno en una conferencia en la Universidad de Cambridge, del 23 al 27 de julio de 1928. En su libro[16] sobre la historia del descubrimiento del positrón a partir de 1963, Norwood Russell Hanson ha hecho un relato detallado de las razones de esta afirmación, y éste puede haber sido el origen del mito. Pero también presentó la objeción de Skobeltsyn a la misma en un apéndice.[17] Más tarde, Skobeltsyn rechazó esta afirmación de forma aún más contundente, calificándola de "nada más que pura tontería".[18]

Skobeltsyn allanó el camino para el eventual descubrimiento del positrón con dos importantes contribuciones: añadiendo un campo magnético a su cámara de nubes (en 1925[19]), y mediante el descubrimiento de rayos cósmicoss de partículas cargadas,[20] por el que se le atribuye en el Conferencia Nobel de Carl David Anderson.[21] Skobeltzyn sí observó probables huellas de positrones en imágenes tomadas en 1931,[22] pero no los identificó como tales en su momento.

Asimismo, en 1929 Chung-Yao Chao, estudiante de posgrado en Caltech, observó algunos resultados anómalos que indicaban partículas que se comportaban como electrones, pero con carga positiva, aunque los resultados no fueron concluyentes y el fenómeno no fue perseguido.[23]

Anderson descubrió el positrón el 2 de agosto de 1932,[24] por el que obtuvo el Premio Nobel de Física en 1936.[25] Anderson no acuñó el término positrón, sino que lo permitió a sugerencia del editor de la revista Physical Review a quien presentó su artículo de descubrimiento a finales de 1932. El positrón fue la primera prueba de antimateria y se descubrió cuando Anderson dejó pasar rayos cósmicos a través de una cámara de nubes y una placa de plomo. Un imán rodeaba este aparato, haciendo que las partículas se curvaran en diferentes direcciones en función de su carga eléctrica. El rastro iónico que dejaba cada positrón aparecía en la placa fotográfica con una curvatura que coincidía con la relación masa carga de un electrón, pero en una dirección que mostraba que su carga era positiva.[26]

Anderson escribió en retrospectiva que el positrón podría haberse descubierto antes basándose en el trabajo de Chung-Yao Chao, si tan solo se le hubiera dado seguimiento. [23] Frédéric e Irène Joliot-Curie en París tenían pruebas de positrones en fotografías antiguas cuando se publicaron los resultados de Anderson, pero los habían descartado como protones.[26]

El positrón también había sido descubierto simultáneamente por Patrick Blackett y Giuseppe Occhialini en el Laboratorio Cavendish en 1932. Blackett y Occhialini habían retrasado la publicación para obtener pruebas más sólidas, por lo que Anderson pudo publicar primero el descubrimiento.[27]

Creación de positrones por pulso láser

En noviembre de 2008 la doctora Hui Chen, del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de Estados Unidos, anunció que ella y su equipo habrían creado positrones al hacer incidir un breve aunque intenso pulso láser a través de una lámina de oro blanco de pocos milímetros de espesor; esto habría ionizado el material y acelerado sus electrones. Los electrones acelerados emitieron cuantos de energía que al decaer dieron lugar a partículas materiales y dando también por resultado positrones.[28] Actualmente, la importante producción de laboratorio de haces de positrones-electrones de 5 MeV permite la investigación de múltiples características, como la forma en que los diferentes elementos reaccionan a las interacciones o impactos de positrones de 5 MeV, cómo se transfiere la energía a las partículas y el efecto de choque de brote de rayos gamma (GRB).[29]

Aplicaciones

Ciertos tipos de experimentos del acelerador de partículas implican la colisión de positrones y electrones a velocidades relativistas. La energía de alto impacto y la aniquilación mutua de estos opuestos materia/antimateria crean una fuente de diversas partículas subatómicas. Los físicos estudian los resultados de estas colisiones para probar las predicciones teóricas y buscar nuevos tipos de partículas.

El experimento ALPHA combina positrones con antiprotones para estudiar las propiedades del antihidrógeno.[30]

Los rayos gamma, emitidos indirectamente por un radionúclido emisor de positrones (trazador), se detectan en escáneres de tomografía por emisión de positrones (PET) utilizados en hospitales. Los escáneres PET crean imágenes tridimensionales detalladas de la actividad metabólica dentro del cuerpo humano.[31]

Una herramienta experimental llamada espectroscopia de aniquilación de positrones (PAS) se utiliza en la investigación de materiales para detectar variaciones en la densidad, defectos, desplazamientos o incluso vacíos dentro de un material sólido.[32]

El positrón en la ciencia ficción
  • Sin duda el positrón adquirió fama en las diferentes novelas de robots de Isaac Asimov. Esta partícula era esencial para la fabricación de las sendas positrónicas en donde se programaría luego al robot, haciendo las veces de neuronas mecánicas. En conjunto las sendas se acoplaban y se posicionaban cuidadosamente en la cabeza del mismo. El autor admitió en vida que había tomado esta partícula como pilar de sus cerebros robóticos debido a que se había descubierto recientemente y eso atraería el interés de los lectores de la época.

Asimismo el positrón fue utilizado en diferentes series como fuente de energía de armas y poderes:

  • En Digimon Adventure 02 el Digimon Imperialdramon utiliza un ataque conocido como "Láser Positrónico"
  • En Neon Génesis Evangelion, de Hideaki Anno, el rifle positrónico es utilizado en varias ocasiones contra los ángeles invasores, siendo el más notable Ramiel.
  • En la nueva saga de Star Trek, el androide Data está construido con un cerebro positrónico.
  • En la película El hombre bicentenario, el personaje interpretado por el actor Robin Williams utiliza igualmente un cerebro del tipo positrónico.
  • En todos los relatos de robots de ciencia ficción de Isaac Asimov, los robots cuentan con un cerebro positrónico. Más tarde, el propio Asimov reconoció que no había pensado en llamar computador o procesador a dichos cerebros.
  • En la película GhostBusters, los científicos atrapan fantasmas usando rayos de positrones.
  • En la serie Supergirl, la DEO junto con la presidenta de los EE. UU quiere usar un cañón de positrones para derrotar al ejército daxamita y a la madre de Mon-el
  • En la película Tenet se usa la física del positrón como ejemplo que legitima la posibilidad de poder viajar atrás en el tiempo, invirtiendo tu propia línea temporal.

Véase también

Referencias
  1. Neuroimagen. Técnicas y procesos cognitivos. Escrito por Ríos, M. Página 117. (books.google.es)
  2. «positrón». RAE.
  3. Física moderna. Escrito por Paul Allen Tipler, Página 482. (books.google.com)
  4. Dirac, P. A. M. (1928). «La teoría cuántica del electrón». Actas de la Royal Society A 117 (778). pp. 610-624. Bibcode:1928RSPSA.117..610D.
  5. Weyl, H. (1929). «Gravitación y el electrón». PNAS 15 (4). pp. 323-334. Bibcode:1929PNAS...15..323W. PMC 522457. PMID 16587474.
  6. . Dirac, P. A. M. (1930). «Una teoría de electrones y protones». Actas de la Royal Society A 126 (801). pp. 360-365. Bibcode:1930RSPSA.126..360D.
  7. Oppenheimer, J. R. (1930). "Nota sobre la teoría de la interacción del campo y la materia", Physical Review 35(5), 461.
  8. Weyl, H. (1931). Gruppentheorie und Quantenmechanik (Hirzel, Leipzig, 1928); H. Weyl. The Theory of Groups and Quantum Mechanics.
  9. Dirac, P. A. M. (1931). «Singularidades cuantificadas en el campo cuántico». Actas de la Royal Society A 133 (821). pp. 60-72. Bibcode:1931RSPSA.133...60D.
  10. Feynman, R. (1949). «La teoría de los positrones». Physical Review 76 (6): 749-759. Bibcode:1949PhRv...76..749F. S2CID 120117564. Archivado desde el original el 9 de agosto de 2022. Consultado el 28 de diciembre de 2021.
  11. Feynman, R. (11 de diciembre de 1965). «El desarrollo de la visión espacio-temporal de la electrodinámica cuántica». Nobel Lecture. Consultado el 2 de enero de 2007.
  12. Nambu, Y. (1950). «El uso del tiempo propio en la electrodinámica cuántica I». Progreso de la Física Teórica 5 (1). pp. 82-94. Bibcode:1950PThPh...5...82N.
  13. Wilson, David (1983). Hodder and Stoughton, ed. Rutherford, simple genio. pp. 562-563. ISBN 0-340-23805-4.
  14. Cierre, F. (2009). Oxford University Press, ed. Antimateria. pp. 50-52. ISBN 978-0-19-955016-6.
  15. Cowan, E. (1982). «La imagen que no se invirtió». Ingeniería y Ciencia 46 (2): 6-28.
  16. Hanson, Norwood Russel (1963). Cambridge University Press, ed. El concepto del positrón. pp. 136-139. ISBN 978-0-521-05198-9.
  17. Hanson, Norwood Russel (1963). Cambridge University Press, ed. El concepto del positrón. pp. 179-183. ISBN 978-0-521-05198-9.
  18. Brown, Laurie M.; Hoddeson, Lillian (1983). Cambridge University Press, ed. El nacimiento de la física de partículas. pp. 118-119. ISBN 0-521-24005-0.
  19. Bazilevskaya, G.A. (2014). «Skobeltsyn y los primeros años de la física de partículas cósmicas en la Unión Soviética». Física de astropartículas 53. pp. 61-66. Bibcode:2014APh....53...61B.
  20. Skobeltsyn, D. (1929). «Uber eine neue Art sehr schneller beta-Strahlen». Z. Phys. 54 (9-10). pp. 686-702. Bibcode:1929ZPhy...54..686S. S2CID 121748135.
  21. Anderson, Carl D. (1936). «La producción y propiedades de los positrones». Consultado el 10 de agosto de 2020.
  22. Skobeltzyn, D. (1934). «Huellas de electrones positivos». Nature (3349 edición) 133: 23-24. Bibcode:1934Natur.133...23S. S2CID 4226799.
  23. Merhra, J.; Rechenberg, H. (2000). El Desarrollo Histórico de la Teoría Cuántica, Volumen 6: La Finalización de la Mecánica Cuántica 1926-1941. Springer. p. 804. ISBN 978-0-387-95175-1.
  24. Anderson, C. D. (1933). «El electrón positivo». Physical Review 43 (6). pp. 491-494. Bibcode:1933PhRv...43..491A.
  25. «El Premio Nobel de Física 1936». Consultado el 21 de enero de 2010.
  26. Gilmer, P. J. (19 de julio de 2011). «Irène Jolit-Curie, premio Nobel de radiactividad artificial». p. 8. Archivado desde el original el 19 de mayo de 2014. Consultado el 13 de julio de 2013.
  27. «En la cresta de la ola de la física: Rutherford de vuelta en Cambridge, 1919-1937». El mundo nuclear de Rutherford. Instituto Americano de Física. 2011-2014. Archivado desde el original el 21 de octubre de 2014. Consultado el 19 de agosto de 2014.
  28. «Billions of particles of anti-matter created in laboratory». Archivado desde el original el 25 de agosto de 2009. Consultado el 2009. (13 March 2009 issue of Physical Review Letters - Vol.102, No.10, article 105001)
  29. https://lasers.llnl.gov/workshops/user_group_2012/docs/7.3_chen.pdf Lab production of 5MeV positron-electron beams
  30. Charman, A. E. (30 de abril de 2013). «Description and first application of a new technique to measure the gravitational mass of antihydrogen». Nature Communications (en inglés) 4 (1): 1785-. Bibcode:2013NatCo...4.1785A. ISSN 2041-1723. PMC 3644108. PMID 23653197. doi:10.1038/ncomms2787.
  31. Phelps, M. E. (2006). PET: physics, instrumentation, and scanners. Springer. pp. 2-3. ISBN 978-0-387-32302-2.
  32. «Introduction to Positron Research». St. Olaf College. Archivado desde el original el 5 de agosto de 2010.

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