Positron

Positron on elementaarosake spinniga 1/2, seega allub Fermi-Diraci statistikale. Laeng on +1e ja mass sama, mis on elektronil (0,510998910(13) MeV/c2). Sümboolselt tähistatakse teda e⁺ või β⁺. Kui madala energiaga positron põrkab kokku madala energiaga elektroniga, siis nad annihileeruvad. Annihilatsiooni tulemuseks on tavaliselt kaks või enam footonit. Positrone võib tekkida β⁺-lagunemise teel või paaride tekkel piisava energiaga footonist. Positroni ja elektroni kohtumisel võib moodustuda ka liitosake positroonium, mis 143 nanosekundi möödumisel annihileerub.

Positroni olemasolu teoreetiline ennustus

1928. aastal avaldas Paul Dirac teadusartikli, kus ta pakkus välja, et elektronil võiks olla nii positiivne laeng kui negatiivne energia. Artiklis avaldati esmakordselt Diraci võrrand, milles on ühendatud kvantmehaanika, erirelatiivsus ja spinn, et seletada Zeemani efekti. Artiklis ei ennustatud otseselt uue osakese olemasolu, kuid Diraci võrrand lubas elektronil omada nii positiivset kui ka negatiivset energiat. Positiivse energiaga lahend seletas katsetulemusi, kuid Dirac ei teadnud, mida arvata negatiivse energia lahenditest oma võrrandeile. Kvantmehaanika ei lubanud neid tulemusi ignoreerida, nagu seda klassikaline mehaanika sageli lubas. Duaalne lahend tõi kaasa võimaluse, et elektron võiks spontaanselt hüpata positiivsete ja negatiivsete energiaolekute vahel. Seda aga polnud täheldatud ühestki katsest. Dirac kirjutas 1929. aasta detsembris järjeartikli, kus ta üritas tekkinud probleemile seletust pakkuda. Ta väitis, et „...negatiivse energiaga elektron liigub välises [elektromagnet] väljas nii, nagu oleks tal positiivne laeng.“ Ta arutleb veel, et kogu ruumi saab võtta kui negatiivse energiaoleku „merd“, mis on täidetud nii, et takistaks elektrone hüppamast positiivse energia (negatiivse elektrilaengu) ja negatiivse energia (positiivse laengu) vahel. Artiklis uuritakse ka võimalust, et prooton on saar selles meres ja et ta võibki olla negatiivse energiaga elektron. Dirac tunnistas, et prootoni palju suurem mass on probleemiks, kuid väljendas „lootust“, et tuleviku teooriad lahendavad selle mure. Robert Oppenheimer oli rangelt vastu mõttele, et prooton võiks olla negatiivse energia lahendiks Diraci võrrandile. Ta väitis, et kui see oleks nii, siis hävineks vesiniku aatom väga kähku. Olles Oppenheimeri väite poolt ümber veendud, avaldas Dirac 1931. aastal artikli, kus ta ennustas tol ajal veel avastamata osakese olemasolu. Osakese nimeks pani ta „anti-elektron“, mil oleks sama mass kui elektronil ning mis hävineks viimasega kokkupuutel.

Eksperimentaalne avastus

Dmitri Skobeltsõn täheldas esmakordselt positroni olemasolu aastal 1929. Ta üritas Wilsoni mullikambrit kasutades leida gammakiiri kosmilises kiirguses. Skobeltsyn detekteeris osakesi, mis käitusid nagu elektronid, kuid kaardusid magnetväljas vastassuunas. Chung-Yao Chao, USA California Tehnoloogiainstituudi vilistlane, märkas samal aastal ebatavalisi tulemusi, mis viitasid osakestele, mis käituvad nagu elektronid, kuid omavad positiivset laengut. Katse tulemused aga olid ebaveenvad ja selle tõttu ei uuritud nähtust edasi.

Carl D. Anderson avastas positroni 2. augustil 1932 ning sai selle eest aastal 1936 ka Nobeli füüsikaauhinna. Anderson oli samuti sõna "positron" loojaks. Positron oli esimene märk antimateeria olemasolust. Katse, mille käigus antiosake leiti, toimis nii, et lasti kosmilistel kiirtel läbida mullkambrit ja tinaplaati. Magnet ümbritses kogu seadet, kõverdades osakeste liikumise trajektoore vastavalt nende elektrilisele laengule. Läbitud trajektooril tekivad ioonid, mis salvestatakse fotoplaadile. Andmete põhjal järeldati, et uuritud osakese massi ja laengu suhe on sama mis elektronil, kuid trajektoori vastupidisest kaardumisest järeldati positiivne laeng.

Anderson kirjutas hiljem, et positroni oleks võinud ka varem avastada, kui poleks vaid Chung-Yao Chao tööd pooleli jäetud.

Positrone saab radioaktiivsete osakeste β⁺-lagunemisel, näiteks ²²Na lagunemisel vastavalt reaktsioonile ²²Na -> ²²Ne + β⁺ + ν_e + γ. Naatriumi isotoop annab küllaltki suure osakaaluga positrone – 90,4%. Sellel meetodil on ka teisi häid külgi. Esiteks peaaegu samaaegne 1,27 MeV γ-kvandi teke positroniga, lubab viimase eluea mõõtmist. Teiseks on laboris naatriumit lihtne saada sellistest sooladest nagu naatriumkloriid või naatriumatsetaat. 2,6-aastane poolestusaeg ja mõistlik hind teevad selle isotoobi enimkasutatud materjaliks positroni uurimisel. Oht laboritöötajatele on samuti väike, kuna aine bioloogiline poolestusaeg on kõigest mõni päev. Lisaks ²²Na-le kasutatakse ka teisi isotoope (⁶⁴Cu, ⁵⁸Co, jne), kuid harvemini.

Teine positronide tekitamise viis on genereerida neid läbi paari tekke. Sel juhul peatatakse elektronkiir kiirgusneelajas, kus on kõrge aatomnumbriga tuumad, et tekitada pärsskiirguse γ-kiiri. Kui kiirendatud elektronide energia on piisavalt suur, siis on ka elektron-positronpaaride tekke tõenäosus piisavalt kõrge. Sellise meetodiga saab pulseeriva positronkiire.

Veel üks viis positronide saamiseks on läbi tuumareaktsioonide. Välja pakutud Steini et al poolt aastal 1974. Meetod kujutab endast kõrge energiaga prootonite kiirendamist boori aatomite pihta, mille tulemusena vabaneb positronide voog. Järjekordne positronide tekitamise viis on ¹¹³Cd (n, γ) ¹¹⁴Cd reaktsioon, mille käigus vabaneb kolme γ-kvanti summaarse energiaga 9,041 MeV, mida saab kasutada paaride tekke jaoks. Selle meetodi eelis on, et tulemuseks on pidev kõrge intensiivsusega positronide voog.

Uusimad võtted on märkimisväärselt suurendanud positronide arvu, mida saab ühe katse ajal tekitada. Füüsikud Lawrence Livermore National Laboratorys USA California osariigis kasutasid lühikest üliintensiivset laserit, et kiiritada millimeetripaksust kuldmärklauda, ning tekitasid selle tulemusena üle 100 miljard positroni.

PET

Positronemissioontomograaf ehk PET on piltdiagnostika aparaat, mida kasutatakse meditsiinis inimkeha uurimisel. PET erineb teistest piltdiagnostika viisidest meditsiinis selle poolest, et ei vaadata otseselt keha, vaid jälgitakse kehas toimuvaid protsesse. Süstitakse või antakse suu kaudu väga väikestes kogustes radioaktiivset ainet (näiteks ¹⁵O isotoop) koos mõne teise kemikaaliga, nagu glükoos, mis sihib spetsiifilisi molekule, elundeid või kudesid. Seejärel radioaktiivne aine laguneb, tootes positrone, mis annihileeruvad elektronidega. Jälgitakse tekkinud gammakiiri.

Tomograaf sarnaneb välimuselt CT- ja MRT-tomograafiga. Sees on mitu ringi detektoreid, mis registreerivad gammakiirte energiavoogu keha seest.

PET-i kasutatakse

• eri liiki vähi avastamiseks (nende hulgas rinna-, emakakaela-, pea-, kaela-, vere-, kopsuvähk),
• vähi levimise uurimiseks kehas,
• raviplaani edukuse hindamiseks,
• et teada saada, kas vähk on tagasi tulnud,
• vere liikumise uurimiseks südamelihases,
• südameinfarkti tagajärgede uurimisel,
• südame piirkondade identifitseerimiseks, kus oleks tarvis opereerida,
• neuroloogiliste haiguste, nagu Alzheimeri, Parkinsoni tõve, dementsuse, epilepsia, mäluhäirete uurimiseks,
• normaalse aju- ja südametöö uurimisel.

• Positroonium