البوزيترون

في عام ١٩٢٨، نشر بول ديراك بحثًا يقترح فيه أن الإلكترونات يمكن أن تحمل شحنة موجبة وسالبة. ^{[ ٥ ]} قدم هذا البحث معادلة ديراك ، وهي توحيد بين ميكانيكا الكم والنسبية الخاصة ومفهوم دوران الإلكترون الجديد آنذاك، لتفسير تأثير زيمان . لم يتنبأ البحث صراحةً بجسيم جديد، ولكنه سمح بأن تكون للإلكترونات طاقة موجبة أو سالبة كحلول . ثم نشر هيرمان فايل بحثًا يناقش الآثار الرياضية لحل الطاقة السالبة. ^{[ ٦ ]} فسر حل الطاقة الموجبة النتائج التجريبية، لكن ديراك استغرب من حل الطاقة السالبة الصحيح بنفس القدر والذي سمح به النموذج الرياضي. لم تسمح ميكانيكا الكم بتجاهل حل الطاقة السالبة ببساطة، كما تفعل الميكانيكا الكلاسيكية غالبًا في مثل هذه المعادلات؛ إذ يشير الحل المزدوج إلى إمكانية انتقال الإلكترون تلقائيًا بين حالتي الطاقة الموجبة والسالبة. ومع ذلك، لم يُرصد مثل هذا الانتقال تجريبيًا بعد. ^{[ ٥ ]}

كتب ديراك ورقة بحثية لاحقة في ديسمبر 1929 ^{[ 7 ]} حاول فيها تفسير حل الطاقة السالبة الحتمي للإلكترون النسبي. جادل بأن "... الإلكترون ذو الطاقة السالبة يتحرك في مجال [كهرومغناطيسي] خارجي كما لو كان يحمل شحنة موجبة". وأكد كذلك أن الفضاء برمته يمكن اعتباره "بحرًا" من حالات الطاقة السالبة الممتلئة، وذلك لمنع الإلكترونات من القفز بين حالات الطاقة الموجبة (الشحنة الكهربائية السالبة) وحالات الطاقة السالبة (الشحنة الموجبة). استكشفت الورقة أيضًا إمكانية أن يكون البروتون جزيرة في هذا البحر، وأنه قد يكون في الواقع إلكترونًا ذو طاقة سالبة. أقر ديراك بأن امتلاك البروتون كتلة أكبر بكثير من الإلكترون يمثل مشكلة، لكنه أعرب عن "أمله" في أن تحل نظرية مستقبلية هذه المسألة. ^{[ 7 ]}

عارض روبرت أوبنهايمر بشدة فكرة أن يكون البروتون هو الإلكترون ذو الطاقة السالبة في معادلة ديراك. وأكد أنه لو كان كذلك، لتفككت ذرة الهيدروجين ذاتيًا بسرعة. ^{[ 8 ]} وفي عام 1931، أثبت فايل أن للإلكترون ذي الطاقة السالبة نفس كتلة الإلكترون ذي الطاقة الموجبة. ^{[ 9 ]} واقتناعًا بحجة أوبنهايمر وفايل، نشر ديراك بحثًا في عام 1931 تنبأ فيه بوجود جسيم لم يُرصد بعد، أطلق عليه اسم "الإلكترون المضاد"، له نفس كتلة الإلكترون وشحنة معاكسة، وسيفني نفسه عند ملامسته للإلكترون. ^{[ 10 ]}

اقترح إرنست ستوكلبرغ ، ولاحقًا ريتشارد فاينمان ، تفسيرًا للبوزيترون على أنه إلكترون يتحرك عكس الزمن، ^{[ 11 ]} معيدين تفسير حلول الطاقة السالبة لمعادلة ديراك. فالإلكترونات المتحركة عكس الزمن تحمل شحنة كهربائية موجبة . استخدم جون أرشيبالد ويلر هذا المفهوم لتفسير الخصائص المتطابقة التي تشترك فيها جميع الإلكترونات، مشيرًا إلى أنها "جميعها إلكترون واحد" ذو مسار معقد ومتقاطع ذاتيًا . ^{[ 12 ]} لاحقًا، طبق يويتشيرو نامبو هذا المفهوم على جميع عمليات إنتاج وإفناء أزواج الجسيمات ومضاداتها، مصرحًا بأن "التكوين والإفناء النهائي للأزواج الذي قد يحدث بين الحين والآخر ليس تكوينًا أو إفناءً، بل هو مجرد تغيير في اتجاه حركة الجسيمات، من الماضي إلى المستقبل، أو من المستقبل إلى الماضي". ^{[ 13 ]} إن وجهة النظر العكسية في الزمن مقبولة في الوقت الحاضر على أنها مكافئة تمامًا للصور الأخرى، لكنها لا علاقة لها بالمصطلحات العيانية "السبب" و "النتيجة"، والتي لا تظهر في الوصف الفيزيائي المجهري.

ابتداءً من عام 1923، وأثناء استخدامه غرفة ويلسون السحابية لدراسة تأثير كومبتون ، لاحظ ديمتري سكوبيلتسين مسارات تتصرف كالإلكترونات ولكنها تنحني في الاتجاه المعاكس عند تطبيق مجال مغناطيسي. وقدّم سكوبيلتسين صورًا فوتوغرافية لهذه الظاهرة في مؤتمر بجامعة كامبريدج ، في الفترة من 23 إلى 27 يوليو 1928. ^{[ 14 ]} وقد شاهدت إيرين وفريدريك جوليو-كوري وآخرون أدلة فوتوغرافية مماثلة، ولكن لم يكن لدى أحد في ذلك الوقت تفسير لهذه المسارات الشاذة. ^{[ 15 ] [ 16 ]} مهّد سكوبيلتسين الطريق لاكتشاف البوزيترون في نهاية المطاف من خلال إسهامين هامين: إضافة مجال مغناطيسي إلى غرفته السحابية (في عام 1925 ^{[ 17 ]} )، واكتشافه للأشعة الكونية المشحونة ، ^{[ 18 ] [ 19 ]} وهو الاكتشاف الذي يُنسب إليه الفضل فيه في محاضرة كارل ديفيد أندرسون عند استلامه جائزة نوبل . ^{[ 20 ]}

وبالمثل، لاحظ تشونغ ياو تشاو ، وهو طالب دراسات عليا صيني في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (كالتك) ، عام 1929 ، بعض النتائج الشاذة ^{[ 21 ]} التي أشارت إلى جسيمات تتصرف كالإلكترونات، ولكن بشحنة موجبة، على الرغم من أن النتائج كانت غير حاسمة ولم يتم متابعة هذه الظاهرة. ^{[ 22 ]} بعد خمسين عامًا، أقر أندرسون بأن اكتشافه كان مستوحى من عمل زميله في كالتك ، تشونغ ياو تشاو . استخدم أندرسون نفس المصدر المشع، لكنه اعتمد غرفة سحاب مغناطيسية سمحت له برؤية مسارات الإلكترون المضاد. ^{[ 23 ]}

اكتشف أندرسون البوزيترون في 2 أغسطس 1932، ^{[ 24 ]} وهو الاكتشاف الذي نال عنه جائزة نوبل في الفيزياء عام 1936. ^{[ 25 ]} لم يبتكر أندرسون مصطلح "بوزيترون" ، بل سمح باستخدامه بناءً على اقتراح محرر مجلة "فيزيكال ريفيو " الذي قدم إليه بحثه عن الاكتشاف في أواخر عام 1932. كان البوزيترون أول دليل على وجود المادة المضادة ، وقد اكتُشف عندما سمح أندرسون للأشعة الكونية بالمرور عبر غرفة سحابية ولوحة رصاص. أحاط مغناطيس بهذا الجهاز، مما تسبب في انحناء الجسيمات في اتجاهات مختلفة بناءً على شحنتها الكهربائية. ظهر أثر الأيونات الذي خلفه كل بوزيترون على اللوحة الفوتوغرافية بانحناء يطابق نسبة الكتلة إلى الشحنة للإلكترون، ولكن في اتجاه يُظهر أن شحنته موجبة. ^{[ 26 ]}

كتب أندرسون لاحقًا أنه كان من الممكن اكتشاف البوزيترون في وقت أبكر استنادًا إلى عمل تشونغ ياو تشاو، لو تمت متابعته. ^{[ 22 ]} كان لدى فريدريك وإيرين جوليو كوري في باريس أدلة على وجود البوزيترونات في صور قديمة عندما ظهرت نتائج أندرسون، لكنهما استبعداها باعتبارها بروتونات. ^{[ 26 ] [ 27 ]}

وقد اكتُشف البوزيترون أيضاً في نفس الفترة الزمنية من قبل باتريك بلاكيت وجوزيبي أوتشياليني في مختبر كافنديش عام 1932. وقد أخّر بلاكيت وأوتشياليني النشر للحصول على أدلة أكثر قوة، لذا تمكّن أندرسون من نشر الاكتشاف أولاً. ^{[ 28 ]}

أظهرت التجارب التي أجريت على الأقمار الصناعية وجود أدلة على وجود البوزيترونات (بالإضافة إلى عدد قليل من البروتونات المضادة) في الأشعة الكونية الأولية، والتي تشكل أقل من 1% من إجمالي الجسيمات في هذه الأشعة. ^{[ 40 ]} ومع ذلك، فقد تم قياس نسبة البوزيترونات في الأشعة الكونية مؤخرًا بدقة محسّنة، لا سيما عند مستويات طاقة أعلى بكثير، ولوحظ أن نسبة البوزيترونات أكبر في هذه الأشعة الكونية ذات الطاقة العالية. ^{[ 41 ]}

لا يبدو أن هذه الجسيمات ناتجة عن كميات كبيرة من المادة المضادة من الانفجار العظيم، أو حتى عن مادة مضادة معقدة في الكون (إذ تفتقر الأدلة إلى ذلك، انظر أدناه). بل يبدو أن المادة المضادة في الأشعة الكونية تتكون من هذين الجسيمين الأوليين فقط. وتشير النظريات الحديثة إلى أن مصدر هذه البوزيترونات قد يكون ناتجًا عن فناء جسيمات المادة المظلمة، وتسارع البوزيترونات إلى طاقات عالية في الأجرام الفلكية، وإنتاج بوزيترونات عالية الطاقة في تفاعلات نوى الأشعة الكونية مع الغاز بين النجوم. ^{[ 42 ]}

Preliminary results from the presently operating Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) on board the International Space Station show that positrons in the cosmic rays arrive with no directionality, and with energies that range from 0.5 GeV to 500 GeV.^[43][44] Positron fraction peaks at a maximum of about 16% of total electron+positron events, around an energy of 275 ± 32 GeV. At higher energies, up to 500 GeV, the ratio of positrons to electrons begins to fall again. The absolute flux of positrons also begins to fall before 500 GeV, but peaks at energies far higher than electron energies, which peak about 10 GeV.^[45][46] These results on interpretation have been suggested to be due to positron production in annihilation events of massive dark matter particles.^[47]

Positrons, like anti-protons, do not appear to originate from any hypothetical "antimatter" regions of the universe. On the contrary, there is no evidence of complex antimatter atomic nuclei, such as antihelium nuclei (i.e., anti-alpha particles), in cosmic rays. These are actively being searched for. A prototype of the AMS-02 designated AMS-01, was flown into space aboard the Space ShuttleDiscovery on STS-91 in June 1998. By not detecting any antihelium at all, the AMS-01 established an upper limit of 1.1×10⁻⁶ for the antihelium to helium flux ratio.^[48]