21/12/2016

Positrão

O positrão, ou anti eletrão, é a antipartícula, ou a contraparte de antimatéria, do eletrão. 
Tem uma carga eletrica de  +1 e (+1.602176565(35)×10−19 C), uma massa de 9.10938356(11)×10−31 kg, 5.485799090(16)×10−4 u, 0.5109989461(13) MeV/c e um spin de 1/2.
Quando um positrão de baixa-energia colide com um eletrão também de baixa energia, dá-se uma aniquilação, resultando na produção de um ou mais fotões de raios gama.
Os positrões podem ser gerados pelo decaimento radioativo de emissões de positrões (através das interações fracas) ou pela produção de par de um fotão suficientemente energético que se encontre em interação com um átomo de um material

Teoria
Em 1928, Paul Dirac fez  uma publicação em que propunha que os eletrões pudessem ter tanto uma carga positiva quanto negativa. Este documento introduziu a equação de Dirac, a unificação da mecânica quântica, a relatividade especial, e o então novo conceito de spin de eletrão, para explicar o efeito Zeeman. O estudo não predizia explicitamente uma nova partícula, mas permitia que os eletrões tivesse ou carga negativa ou carga positiva como solução. Então, Herman Weyl publicou "A Gravitação e o Eletrão" em que debatia as implicações matemáticas da solução de energia negativa. A solução de energia positiva era explicada por resultados experimentais, mas Dirac estava intrigado pela igualmente válida solução de energia negativa, que o modelo matemático permitia. A mecânica quântica não permitia que a solução de energia negativa fosse simplesmente ignorada, como a mecânica clássica fazia frequentemente em tais equações; a equação dupla implicava a possibilidade de um eletrão saltar espontaneamente entre estados de energia positiva e negativa. No entanto, tais transições ainda não tinham sido observadas experimentalmente. Dirac referiu-se aos assuntos levantados por este conflito entre a teoria e as observações como "dificuldades" que "não estavam resolvidas".
Por seu lado, Robert Oppenheimer argumentou contra o protão ser a solução de energia negativa eletrónica para a solução de Dirac. Afirmou que se assim fosse, o átomo de hidrogénio auto-destruir-se-ia rapidamente. Persuadido pelos argumentos de Oppenheimer, Dirac fez um publicação em 1931 em que predizia a existência de uma partícula ainda não observada que designou por "anti-eletrão", que teria a mesma massa de um eletrão e que se aniquilariam em contacto com um eletrão.
Feynman, e antes dele Stueckelberg, propuseram uma interpretação do positrão como um eletrão que  se desloca para trás no tempo, reinterpretando as soluções de energia negativa da equação de Dirac. Os eletrões que se deslocassem para trás no tempo iriam ter uma carga elétrica positiva. Wheeler invocou este conceito para identificar as propriedades idênticas partilhadas pelos eletrões, sugerindo que "eles são todos o mesmo eletrão". com uma linha do universo complexa, auto-intersectada. Yoichiro Nambu referiu-se, mais tarde, a todo este processo de produção e aniquilação de pares de partículas e antipartículas, afirmando "a eventual criação e aniquilação de pares que podem acontecer agora e depois, não é criação e aniquilação, mas apenas uma mudança de direção de partículas em movimento, do passado para o futuro, ou do futuro para o passado".


 

Pistas experimentais e descoberta
Dmitri Skobeltsyn observou o positrão pela primeira vez em 1929. Enquanto usava uma Câmara de Wilson (também designada de Câmara de Nuvens) para tentar detectar radiação gama em raios cósmicos, Skobeltsyn detectou partículas que agiam como eletrões mas deslocavam-se na direção oposta, num campo magnético aplicado.
Igualmente em 1929, Chung-Yao Chao, um estudante graduado em Caltech, notou nalguns resultados anómalos que indicavam partículas que se comportavam como eletrões, mas com uma carga positiva, apesar de os resultados serem inconclusivos. No entanto não se fizeram mais estudos acerca do fenómeno.
Carl David Anderson descobriu o positrão a 2 de Agosto de 1932, pelo qual ganhou o Prémio Nobel da Física em 1936. Anderson não deu o nome de "positrão", mas permitiu a sua sugestão ao editor da revista Physical Review, à qual ele submeteu a sua descoberta, em 1932. O positrão foi a primeira evidência de antimatéria e foi descoberto quando Anderson permitiu que raios cósmicos passassem por uma câmara de nuvens e uma placa de chumbo. Um íman rodeava este mecanismo, fazendo com que as partículas se curvassem em direções diferentes, de acordo com a carga elétrica de cada uma. O rasto iónico deixado por cada positrão apareceu na placa fotográfica com uma curvatura correspondendo a uma relação massa-carga de um eletrão, mas numa direção que mostrava que a sua carga era positiva.
Anderson escreveu, que, em retrospectiva o positrão poderia ter sido descoberto anteriormente com base no trabalho de Chung-Yao Chao, se a investigação tivesse continuado. Frédéric e Irène Joliot Curie tinham indicios de positrões em fotografias velhas, quando surgiram os resultados de Anderson, mas haviam-nos descartado como sendo protões.
O positrão havia sido descoberto ao mesmo tempo por Patrick Blackett e Giuseppe Occhialini, no Laboratório de Cavendish, em 1932. Mas Blackett e Occhialini haviam retardado a publicação, para obterem mais provas, o que permitiu a publicação de Anderson.

Produção Natural
Os positrões são produzidos naturalmente por decaimento β+  naturais que ocorrem em isótopos radioactivos e em interações de quanta gama (emitidos por núcleos radioactivos) com matéria. Os antineutrinos são outro tipo de antipartículas produzidos por radioactividade natural (decaimento β-). Muitos tipos de antipartículas são produzidas igualmente (e contidas) por raios cósmicos. Pesquisas efetuadas pela Sociedade Astronómica Americana descobriram antimatéria (positrões) que se formavam acima das nuvem de tempestades eletricas. Os positrões formam-se em flashes de raios gama criados por eletrões acelerados por fortes campos elétricos nas nuvens.
Também se encontraram anti-protões no Cinturão de Van Allen.
As anti-partículas, sendo as mais comuns os positrões, devido à sua baixa massa, também são produzidas em qualquer ambiente com uma temperatura suficientemente elevada (energia de partícula média superior ao limiar de produção de pares). Durante o período da bariogenese, quando o universo era extremamene quente e denso, a matéria e antimatéria forrmavam-se e aniquilavam-se constantemente. A matéria remanescente a esse processo, e ausência de antimatéria remanescente detectável, também designada de assimetria bariónica, é atribuida à violação CP: a violação CP relaciona-se com matéria e antimatéria. O mecanismo exato desta violação durante a bariogenese continua a ser um mistério.
A produção de positrões a partir do decaimento radioactivo β+ pode ser considerado tanto uma produção natural quanto artificial, uma vez que a formação natural que produz positrões é o potássio-40, um isótopo de longa-vida que se dá como um isótopo primordial de potássio.

Num corpo humano de 70kg de massa, cerca de 4.400 núcleos de 40K decaem por segundo. A atividade natural do potássio é de 31Bq/g. Cerca de 0,001 destes 40K decaimentos produzem cerca de 4.000 positrões naturais por dia no corpo humano. Estes positrões rapidamente encontram um eletrão, sofrem aniquilamento, e produzem pares de 511KeV de raios gama, num processo semelhante (mas de muito menor intensidade) daquele que se dá num scan TEP (tomografia por emissão de positrões) de medicina nuclear produz. 
Observações  recentes indicam que os buracos negros e as estrelas de neutrões produzem grandes quantidades de plasma positrão-eletrão também têm sido associadas a estrelas de neutrões.

Observação nos raios cósmicos
Experiências de satélites têm encontrado provas da existência de positrões (assim como de alguns antiprotões) em raios cósmicos primordiais, num volume total de menos de 1% das partículas nos raios cósmicos primordiais.
Os resultados primários do Espectrómetro Magnético Alfa, em operação na Estação Espacial Internacional, mostram que os positrões nos raios cósmicos chegam sem qualquer direcionalidade, e com energias que vão dos 10 GeV aos 250 GeV.
Em Setembro de 2014, foram apresentados resultados com cerca do dobro dos dados numa discussão no CERN e que foram publicados na Physical Review Letters. Foi anunciada uma nova medição de de uma fracção de 500 GeV, mostrando que a fracção de positrões totaliza um total de 16% de todos os eventos eletrão/positrão, com cerca de uma energia de 275 +/- 32 GeV. A energias mais elevadas, até 500 GeV, a proporção de eletrões começa a cair rapidamente. O fluxo absoluto de positrões também começa a cair antes dos 500 GeV, mas chega a energias bem mais elevadas que os do eletrão, com picos de cerca de 10 GeV.
Tem-se sugerido que estes resultados se devem à produção de positrões em eventos de aniquilamento de partículas massivas de matéria negra.
Os positrões, tal como os anti-protões, não parecem ter origem em nenhuma região hipotética de anti-matéria. Pelo contrário, não existem evidências de núcleos atómicos de antimatéria complexas, como o núcleo de anti-hélio (i.e. partículas anti-alfa), nos raios cósmicos.

Produção artificial
Os físicos no Laboratório Nacional de Lawrence Livermore, na Califórnia, têm usado um laser curto, ultra-intenso para irradiar um alvo de ouro com espessura milimétrica e produzir mais de 100 biliões de positrões. De uma presença significativa, a produção laboratorial de raios positrão-eletrão permite a investigação de diversas características, tal como a reação ou impactos de diferentes elementos a positrões a 5 MeV, como a energia é transferida para partículas e o efeito de choque a GRBs (explosões de raios gama).

Aplicações
Certos tipos de experiências em aceleradores de partículas envolvem a colisão de positrões e eletrões a velocidades relativistas. A energia elevada de impacto e a mutua aniquilação destes opostos de matéria/antimatéria criam um conjunto de diversas partículas subatómicas. Os físicos estudam os resultados destas colisões para testarem as predições teóricas e para procurar novos tipos de partículas.
Os raios gama, emitidos indiretamente por um radionuclídeo emissor de positrões são detectados em scanners de tomografias por emissão de positrões (TEP), usados nos hospitais. Os scanners TEP criam imagens tridimensionais detalhadas da atividade metabólica dentro do corpo humano.
Uma ferramenta experimental designada de Espectroscopia de Aniquilação de Partículas (ou Espectroscopia de Vida Média de Aniquilação de Positrões) é usada em materiais de investigação para detetar variações de densidade, imperfeições, deslocamentos ou mesmo vazios, dentro de uma material sólido.


Fontes:
Wikipédia


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