Pozitron

Pozitron, elektronun karşıt parçacığıdır; anti-elektron diye de anılır. Kütlesi ve spini elektronla aynıdır, ama elektrik yükü artı birdir. Keşfedilen ilk antimadde parçacığıdır ve karşıt maddenin gerçekten var olduğunu gösteren ilk kanıt olmuştur.

Nasıl işler?

Bir pozitron bir elektronla karşılaştığında ikisi birden yok olur ve kütleleri enerjiye dönüşür. Düşük enerjili bir karşılaşmada en olası sonuç, zıt yönlere giden iki gama ışını fotonudur. Her fotonun enerjisi, elektronun durgun kütle enerjisine eşit olan yaklaşık 511 kiloelektronvolttur (keV). Bu yüzden 511 keV, evrende karşıt madde arayan gökbilimciler için bir parmak izi işlevi görür.

Pozitronlar iki ana yolla oluşur: bazı radyoaktif çekirdeklerin beta-artı bozunmasıyla ve yeterince enerjili bir fotonun madde ile etkileşip elektron-pozitron çifti üretmesiyle. Doğal potasyumun küçük bir kısmını oluşturan potasyum-40 de pozitron yayar; 70 kilogramlık bir insan vücudunda bu yolla günde yaklaşık 4.000 pozitron ortaya çıkar ve hemen yok olur.

Örnekler

Pozitronun varlığı önce kuramda belirdi. Paul Dirac'ın 1928'de yayımladığı denklem, elektron için negatif enerjili çözümlere de izin veriyordu; Dirac 1931'de, elektronla aynı kütlede ama zıt yüklü bir "anti-elektron" öngördü. Carl Anderson 2 Ağustos 1932'de, kozmik ışınları manyetik alan içindeki bir sis odasından ve kurşun levhadan geçirirken, elektron gibi davranan ama ters yöne kıvrılan izler gördü. Bu keşif ona 1936 Nobel Fizik Ödülü'nü kazandırdı. Aynı yıl Patrick Blackett ve Giuseppe Occhialini de pozitronları bağımsız olarak gözlemişti.

Keşif daha önce de yapılabilirdi. Caltech'te Anderson'ın sınıf arkadaşı olan Chung-Yao Chao 1929'da pozitif yüklü elektron gibi davranan parçacıklara dair sonuçlar görmüş, ama konu izlenmemişti; Joliot-Curie çifti de eski fotoğraflarındaki izleri proton sanmıştı. Kuramcılar ise ilginç bir yorum geliştirdi: Ernst Stueckelberg ve Richard Feynman'a göre pozitron, zamanda geriye doğru hareket eden bir elektron gibi de düşünülebilir. Pozitronlar Dünya'da da beklenmedik yerlerde ortaya çıkar; 2011'de yayımlanan bir araştırma, fırtına bulutlarının üzerindeki gama ışını parlamalarında pozitron üretildiğini gösterdi.

Laboratuvarda pozitron üretmek artık mümkündür. Kaliforniya'daki Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı, milimetre kalınlığında bir altın hedefi çok kısa ve güçlü bir lazerle ışınlayarak 100 milyardan fazla pozitron elde etti. CERN ile Oxford Üniversitesi'nin 2023'teki deneyinde ise 10 trilyondan fazla elektron-pozitron çifti içeren ışınlarla, toplu plazma davranışı gösterecek yoğunlukta ilk "çift plazması" laboratuvarda oluşturuldu. Bu tür deneyler, gama ışını patlamaları gibi uç ortamların fiziğini incelemenin yolunu açıyor.

Bugün pozitronlar hastanelerde de kullanılır: pozitron emisyon tomografisi (PET), yok olma sırasında çıkan gama ışınlarını saptayarak vücuttaki metabolik etkinliğin üç boyutlu görüntüsünü çıkarır.

Neden önemli?

Pozitronlar uzayda yüksek enerjili süreçlerin izini sürmeye yarar. Uluslararası Uzay İstasyonu'ndaki Alfa Manyetik Spektrometresi (AMS-02), kozmik ışınlardaki pozitron oranının yaklaşık 275 GeV civarında yüzde 16'ya kadar çıktığını ölçtü; bunun kaynağı olarak karanlık madde parçacıklarının yok olması da tartışılan olasılıklar arasındadır. Avrupa Uzay Ajansı'nın INTEGRAL uydusu ise Samanyolu'nun merkezini saran dev bir karşıt madde bulutunun yok olma ışımasını inceledi. Bulutun bir yana kaydığı ve kara delik ya da nötron yıldızı içeren X-ışını çift sistemlerinin dağılımına uyduğu görüldü. Gök cisimlerinin bu kadar çok pozitronu nasıl ürettiği hâlâ tam anlaşılmış değil.

İlgili terimler

• Antimadde
• Elektron
• Pozitronyum
• Çift oluşumu
• Gama ışını patlaması