양전자

Positron
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양전자(반전자)
PositronDiscovery.png
구름실 사진 C. D. 앤더슨은 최초로 확인된 양전자가 발견되었다.6mm 리드 플레이트가 챔버를 분리합니다.입자의 이온 궤적의 편향과 방향은 입자가 양전자임을 나타냅니다.
구성.소립자
통계 정보페르미온
시대첫번째
상호 작용중력, 전자기, 약점
기호.
e+
,
β+
반입자전자
이론화폴 디락(1928)
발견된칼 D. 앤더슨(1932년)
덩어리me

9.1203837015(28)×10kg−31[1]
5.48579909070(16)×10−4 Da[1]

0.5109989461(13) MeV/c2[1]
평균 수명안정적(전자와 동일)
전하+1 e
+1.602 176565(35)×10−19[1] C
스핀1/2 (전자와 동일)
약한 아이소스핀좌측: 0, 우측: 1/2

양전자 또는 반전자란 전자의 반입자 또는 반물질성 물질입니다.이것은 +1 e의 전하, 1/2 회전(전자와 동일), 그리고 전자와 같은 질량을 가지고 있습니다.양전자가 전자와 충돌하면 전멸이 일어난다.이 충돌이 낮은 에너지에서 발생하면 두 개 이상의 광자가 생성됩니다.

양전자는 (약한 상호작용을 통해) 양전자 방출 방사성 붕괴에 의해 생성되거나, 물질의 원자와 상호작용하는 충분히 에너지 있는 광자에서 쌍생성에 의해 생성될 수 있다.

역사

이론.

1928년, Paul Dirac은 전자가 양전하와 음전하를 [2]모두 가질 수 있다는 논문을 발표했다.이 논문은 제만 효과를 설명하기 위해 양자역학, 특수상대성이론, 그리고 당시 새로운 전자 스핀의 개념인 디락 방정식을 소개했다.이 논문은 새로운 입자를 명시적으로 예측하지는 않았지만 양 또는 음의 에너지를 가진 전자를 해결책으로 허용했다.그리고 나서 헤르만 바일은 부정적인 에너지 [3]해법의 수학적 의미에 대해 논하는 논문을 발표했다.양의 에너지 해법은 실험 결과를 설명했지만, 디락은 수학 모델이 허용하는 똑같이 유효한 음의 에너지 해법에 당황했다.양자역학은 고전역학이 종종 그러한 방정식에서 했던 것처럼 음의 에너지 해법을 단순히 무시하도록 허용하지 않았다; 이중 해법은 전자가 양과 음의 에너지 상태 사이에서 자발적으로 점프하는 가능성을 암시했다.그러나 그러한 변화는 아직 [citation needed]실험적으로 관찰되지 않았다.

디락은 1929년 12월에[4] 상대론적 전자에 대한 피할 수 없는 음의 에너지 해법을 설명하려는 후속 논문을 썼다.그는 "... 음의 에너지를 가진 전자는 마치 양전하를 띠는 것처럼 외부[전자장]에서 움직인다"고 주장했다.그는 또한 전자가 양의 에너지 상태(음전하)와 음의 에너지 상태(양전하) 사이에서 뛰는 것을 방지하기 위해 모든 공간이 채워진 음의 에너지 상태의 "바다"로 간주될 수 있다고 주장했다.이 논문은 또한 양성자가 이 바다에 있는 섬일 가능성, 그리고 그것이 실제로 음의 에너지 전자일 수도 있다는 가능성을 탐구했다.디락은 전자보다 훨씬 더 큰 질량을 가진 양성자가 문제라는 것을 인정했지만, 미래의 이론이 이 [citation needed]문제를 해결할 것이라는 "희망"을 표현했다.

로버트 오펜하이머는 양성자가 디락 방정식의 음의 에너지 전자 해라는 것에 강하게 반대했다.그는 만약 그렇다면 수소 원자는 빠르게 [5]자폭할 것이라고 주장했다.1931년 헤르만 바일은 음 에너지 전자가 양 에너지 [6]전자와 같은 질량을 가져야 한다는 것을 보여주었다.오펜하이머와 바일의 주장에 설득된 디락은 1931년 아직 관찰되지 않은 입자의 존재를 예측한 논문을 발표했는데, 디락은 전자와 같은 질량과 반대 전하를 가지며 [7]전자와 접촉하면 서로 전멸할 수 있는 "반전자"라고 불렀다.

파인만과 이전의 Stueckelberg는 Dirac 방정식의 음의 에너지 해법을 재해석하면서 양전자를 [8]시간을 거슬러 이동하는 전자로 해석할 것을 제안했다.시간을 거슬러 이동하는 전자는 양의 전하를 가집니다.Wheeler는 모든 전자에 의해 공유되는 동일한 특성을 설명하기 위해 이 개념을 사용했는데, 이는 복잡하고 스스로 교차하는 [9]세계선과 함께 "모두 동일한 전자"임을 암시합니다.난부 요이치로(南部 later一郞)는 그 후, 「지금 일어날지도 모르는 입자쌍의 생성과 소멸은 창조나 소멸이 아니고, 과거에서 미래로, 또는 미래에서 [10]과거로 움직이는 입자의 방향의 변화일 뿐이다」라고 말하고, 그것을 모든 입자-반입자쌍의 생산과 소멸에 적용했다.역시점은 현재 다른 그림과 완전히 동등한 것으로 받아들여지고 있지만, 미시적 물리적 [citation needed]설명에 나타나지 않는 거시적 용어 "원인"과 "효과"와는 아무런 관련이 없다.

실험의 단서 및 발견

윌슨 구름실은 입자 물리학의 초기에 매우 중요한 입자 검출기였다.그것들은 양전자, 뮤온, 카온의 발견에 사용되었다.
반물질
A Feynman diagram showing the annihilation of an electron and a positron (antielectron), creating a photon that later decays into an new electron–positron pair.
반입자

오니아

개념과 현상
장치들
사용하다
사람과 몸

몇몇 자료들은 드미트리 스코벨친이 1930년 [11]훨씬 이전이나 심지어 1923년 [12]초에 양전자를 처음 관찰했다고 주장해왔다.그들은 콤프턴 효과를 연구하기 위해 윌슨 구름실을[13] 사용하는 동안 스코벨친은 전자처럼 작용하지만 적용된 자기장에서 반대 방향으로 휘어지는 입자를 검출했으며, 1928년 7월 23-27일 케임브리지에서 열린 컨퍼런스에서 이 현상의 사진을 제시했다고 진술한다.1963년부터 양전자 발견의 역사에 대한 그의 책에서[14], 노우드 러셀 핸슨은 이러한 주장에 대한 이유를 자세히 설명했고, 이것이 신화의 기원이었을지도 모른다.그러나 그는 또한 [15]부록에 Skobeltsyn의 반대 의견을 제시했다.나중에 스코벨친은 이 주장을 "순전한 [16]헛소리에 불과하다"며 더욱 강하게 거부했다.

스코벨트신은 두 가지 중요한 공헌으로 양전자를 발견하기 위한 길을 열었습니다: 그의 구름실에 자기장을 추가하는 것과 하전 입자[17] 우주선을 [18]발견함으로써, 그는 칼 앤더슨의 노벨 [19]강연에서 그 공로를 인정받았습니다.스코벨친은 [20]1931년에 촬영된 이미지에서 양전자 흔적을 관찰했지만, 그 당시에는 양전자 흔적을 식별하지 못했다.

마찬가지로 1929년 Caltech의 대학원생 Chung-Yao Chao는 입자가 전자처럼 반응하지만 양전하를 띠는 것을 나타내는 몇 가지 변칙적인 결과를 알아챘다. 하지만 결과는 단정적이지 않았고 현상을 [21]추구하지 않았다.

칼 데이비드 앤더슨은 1932년 [22]8월 2일 양전자를 발견했고,[23] 1936년 노벨 물리학상을 수상했다.앤더슨은 양전자라는 용어를 만들지는 않았지만, 1932년 말 그가 그의 발견 논문을 제출한 Physical Review 저널 편집자의 제안으로 양전자라는 용어를 만들었다.양전자는 반물질의 첫 증거였고 앤더슨이 우주선이 구름실과 납판을 통과하도록 허용했을 때 발견되었다.자석이 이 장치를 둘러싸고 있어 입자가 전하에 따라 서로 다른 방향으로 휘게 됩니다.각 양전자가 남긴 이온 흔적은 전자의 질량 대 전하 비율과 일치하는 곡률로 사진판에 나타났지만 전하가 [24]양성이라는 방향으로 나타났다.

앤더슨은 회고적으로 이 양전자가 후속 작업만 [21]했더라면 청야오차오의 연구를 바탕으로 더 일찍 발견될 수 있었을 것이라고 썼다.파리의 프레데릭과 이렌 졸리오 퀴리는 앤더슨의 결과가 나왔을 때 오래된 사진에서 양전자의 증거를 가지고 있었지만 그들은 양성자로 [24]치부했다.

양전자는 1932년 패트릭 블래킷과 주세페 오키알리니에 의해 캐번디시 연구소에서 동시에 발견되었다.Blackett과 Ochialini는 보다 확실한 증거를 얻기 위해 출판을 미루었기 때문에 Anderson이 먼저 [25]그 발견을 발표할 수 있었다.

자연 생산

주요 기사:양전자 방출

양전자는 자연적으로 발생하는 방사성 동위원소의 β 붕괴(예: 칼륨-40) 및 물질과 감마 퀀텀(방사성 핵에 의해 방출됨)에서 중성미자와+ 함께 생성된다.안티뉴트리노는 자연방사능(β− 붕괴)에 의해 생성되는 또 다른 종류의 반입자이다.많은 다른 종류의 반입자들도 우주선에 의해 생성된다.미국천문학회가 2011년에 발표한 연구에서, 양전자는 뇌우 구름 위에서 유래한 것으로 밝혀졌다. 양전자는 [26]구름의 강한 전기장에 의해 가속된 전자에 의해 생성된 감마선 섬광에서 생성된다.또한 PAMELA [27][28]모듈에 의해 지구 주변의 밴 앨런 벨트에 안티프로톤이 존재하는 것으로 밝혀졌습니다.

질량이 낮기 때문에 가장 일반적인 반중성미자 및 양전자가 되는 대입자 역시 충분히 높은 온도(평균 입자 에너지 쌍 생성 임계값보다 높음)의 환경에서 생성된다.우주가 극도로 뜨겁고 밀도가 높았던 중입자 생성 기간 동안 물질과 반물질은 지속적으로 생성되고 소멸되었다.잔류 물질의 존재와 검출 가능한 잔류 [29]반물질의 부재는 CP 위반에 기인한다: 반물질과 관련된 CP-대칭성의 위반이다.중입자 형성 중 이 위반의 정확한 메커니즘은 [30]미스터리로 남아있다.

방사성 동위원소의 생성은 자연적 또는 인위적일 수 있으므로 방사성+
 β 붕괴에 의한 양전자 생성은 인공적 및 자연적 생산으로 간주할 수 있다.아마도 양전자를 생산하는 가장 잘 알려진 자연발생 방사성 동위원소는 칼륨-40으로 칼륨의 원시 동위원소로서 발생하는 칼륨의 장수 동위원소이다.칼륨(0.0117%)의 적은 비율이지만 인체에서 가장 풍부한 방사성 동위원소다.70kg(150파운드) 질량의 인체에서는 초당 [31]약 4,400개의 K핵이 붕괴한다.천연 칼륨의 활성은 31Bq/g이다.[32]이러한 K 붕괴의 약 0.001%는 [33]인체에서 하루에 약 4000개의 천연 양전자를 생성한다.이러한 양전자는 PET 스캔 핵의학 [citation needed]절차에서 발생하는 것과 유사한 과정(그러나 훨씬 낮은 강도)에서 곧 전자를 발견하고 전멸을 거쳐 511 keV 광자 쌍을 생성한다.

최근의 관측에 따르면 블랙홀과 중성자별은 천체물리 제트에서 엄청난 양의 양전자 플라즈마를 생성한다.양전자 플라즈마로 이루어진 큰 구름은 [34][35][36]중성자별과도 관련이 있다.

우주선의 관측

주요 기사:우주선

위성 실험은 1차 우주선에서 양전자(및 몇몇 반양성자)가 1차 우주선에서 [37]입자의 1% 미만에 이른다는 증거를 발견했다.하지만, 우주선의 양전자의 비율은 특히 훨씬 더 높은 에너지 수준에서 향상된 정확도로 측정되었고, 양전자의 비율은 이러한 높은 에너지 [38]우주선에서 더 큰 것으로 보여졌습니다.

이것들은 빅뱅에서 나온 대량의 반물질이나 우주의 복잡한 반물질의 산물은 아닌 것으로 보인다(이러한 증거는 아래 참조).오히려, 우주선의 반물질은 이 두 개의 기본 입자로만 구성되어 있는 것으로 보인다.최근의 이론에 따르면 이러한 양전자의 근원은 암흑 물질 입자의 전멸, 천체물리학적 물체의 양전자의 가속, 그리고 우주선 핵과 성간 [39]가스의 상호작용에서 높은 에너지 양전자의 생성으로부터 올 수 있다.

현재 국제우주정거장에 탑재된 알파 자기분광계(AMS-02)의 예비 결과에 따르면 우주선의 양전자는 방향성이 없고 0.5GeV에서 500GeV [40][41]사이의 에너지를 가지고 도착한다.양전자 분율은 275 ± 32 GeV의 에너지 주변에서 총 전자+양전자 이벤트의 최대 약 16%에 도달한다.500GeV까지 높은 에너지에서는 양전자와 전자의 비율이 다시 떨어지기 시작합니다.양전자의 절대 플럭스 또한 500 GeV 이전에 떨어지기 시작하지만, 약 10 [42][43]GeV에 달하는 전자 에너지보다 훨씬 높은 에너지에서 최고조에 달합니다.이러한 해석 결과는 거대한 암흑 물질 [44]입자의 소멸 사건에서 양전자 생성에 기인하는 것으로 제시되어 왔다.

양전자는 반원자와 마찬가지로 우주의 어떤 가상의 "반물질" 영역으로부터도 유래한 것으로 보이지 않는다.반대로, 우주선에 반헬륨 핵(반알파 입자)과 같은 복잡한 반물질 원자핵이 있다는 증거는 없다.이것들은 활발하게 검색되고 있다.AMS-02로 명명된 AMS-01의 프로토타입이 1998년 6월 STS-91에 실려 우주왕복선 디스커버리호에 실려 우주로 날아갔다.AMS-01은 항헬륨을 전혀 검출하지 않음으로써 항헬륨 대 헬륨 플럭스비의 [45]상한을 1.1×10으로−6 설정했다.

인공 생산

캘리포니아에 있는 로렌스 리버모어 국립 연구소의 물리학자들은 밀리미터 두께의 금 표적을 조사하기 위해 짧고 초강력 레이저를 사용해 1,000억 개 이상의 [46]양전자를 만들어냈다.현재 5MeV 양전자 빔의 상당한 실험실 생산으로 5MeV 양전자 상호작용 또는 충격에 대해 다양한 요소가 어떻게 반응하는지, 에너지가 입자로 전달되는 방법 및 감마선 폭발(GRB)[47]의 충격 효과와 같은 여러 특성을 조사할 수 있다.

적용들

특정 종류의 입자 가속기 실험은 상대론적 속도로 양전자와 전자를 충돌시키는 것을 포함한다.높은 충격 에너지와 이러한 물질/반물질 대립 물질의 상호 소멸은 다양한 아원자 입자의 분수를 만든다.물리학자들은 이론적인 예측을 테스트하고 새로운 종류의 [citation needed]입자를 찾기 위해 이러한 충돌의 결과를 연구합니다.

알파 실험은 양전자와 반양전자를 결합하여 항수소의 [48]성질을 연구합니다.

양전자 방출 방사성핵종(추적자)에 의해 간접적으로 방출되는 감마선은 병원에서 사용되는 양전자 방출 단층촬영(PET) 스캐너에서 검출된다.PET 스캐너는 인체 [49]내 대사 활동의 상세한 3차원 이미지를 생성합니다.

양전자 소멸 분광학(PAS)이라 불리는 실험 도구는 고체 [50]물질 내의 밀도, 결함, 변위 또는 심지어 공극의 변화를 감지하기 위해 재료 연구에 사용됩니다.

「 」를 참조해 주세요.

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