Pozitron ve Diğer Anti Parçacıklar

Bu yazımızda sizlere pozitron nedir ve diğer anti parçacıkları anlatacağım. 1920 li yıllarda Paul Dirac, elektron spininin kaynağını ve manyetik momen­tini başarıyla açıklayan, elektronun göreli kuantum mekaniksel bir tarifini ge­liştirdi. Bununla beraber, Dirac kuramının önemli bir problemi vardı; kura­mın dalga eşitliği negatif enerji durumuna karşı gelen çözümler gerektiriyor­du ve negatif enerji durumları varsa, pozitif enerji durumundaki bir elektro­nun bir foton yayınlayarak bu durumlardan birine hızlı bir geçiş yapması bek­lenmeliydi.

Dirac bu zorluğu tüm negatif enerji durumları doludur varsayımıyla aştı. Bu negatif enerji durumlarında bulunan elektronlara Dirac denizindedir denir ve Pauli dışarılama ilkesi dış kuvvetlerle etkileşmelerine izin vermediğinden, doğrudan gözlenemezler. Buna karşın, negatif enerji durumlarından biri boş­sa, dolu durumlar denizinde bir boşluk kalır, boşluk dış kuvvetle etkileşebilir ve bu nedenle gözlenebilir. Boşluğun dış kuvvetle etkileşmesi, boşluğun pozi­tif yüklü olması dışında, bir elektronun aynı dış kuvvetle etkileşmesine benzer boşluk elektronun anti parçacığıdır.

Pozitron Nedir

Bu kuramın ifade ettiği temel şey her parçacık için bir anti parçacığın var ol­duğudur. Yüklü bir parçacığın anti parçacığının kütlesi, parçacıkla aynı ama yü­kü zıt işaretlidir. Örneğin elektronun anti parçacığının (pozitron) durgun enerjisi 0,511 MeV ve pozi­tif yükü 1,6 xl0^-19 C dur.

Carl Anderson (1905-1991) ,1932 de pozitronu deneysel olarak gözledi ve bu başarısı ile 1936 da Nobel ödülü kazandı. Anderson pozitronu, pozitif yük­lü elektron benzeri parçacıkların sis odasında meydana getirdiği izleri inceler­ken keşfetti (Şekil 1). (Bu ilk deneylerde birkaç GeV seviyesindeki yüksek enerji tepkimelerini başlatmak için çoğu yıldızlar arası uzaydan gelen yüksek enerjili protonlar olan kozmik ışınlar kullandı.) Anderson pozitif ve negatif yükleri birbirinden ayırt etmek için, sis odasını, yüklerin eğri yollar izlemesine neden olan, bir manyetik alan içine yerleştirdi. Anderson, elektron benzeri iz­lerin pozitif yüklü parçacığa karşılık gelen yönde saptırıldığını belirtti.

Anderson’un keşfinden beri, pozitron çok sayıda deneyde gözlenmiştir. Yaygın bir pozitron kaynağı çift oluşumudur. Bu işlemde, yeterince yüksek enerjili bir gamma ışını fotonu bir çekirdekle etkileşir ve fotondan bir elekt­ron pozitron çifti yaratılır. (Çekirdek momentumun korunumu ilkesini sağla­ması gerekir.) Elektron-pozitron çiftinin toplam durgun enerjisi 2m_ec²= 1,02 MeV (burada m_e elektronun kütlesidir) olduğundan, fotonun elektron pozit­ron çifti yaratması için en az bu kadar enerjiye sahip olması gerekir. Yani gam­masını şeklindeki elektromanyetik enerji, Einstein’ın meşhur E_R= mc² bağıntısına uygun olarak durgun enerjiye dönüşür. Gamma ışını fotonunun ener­jisi elektron ve pozitronun durgun enerjisinden fazla ise, bu fazlalık iki parça­cığın kinetik enerjisi olarak ortaya çıkar. Şekil 2 kurşun levhaya çarpan 300 MeV enerjili gamma ışınlarının meydana getirdiği elektron-pozitron çifti izle­rini gösterir.

Başka enerji şekillerinden durgun enerji yaratılması genel bir işlemdir ve çift yaratılması dışındaki diğer durumlarda da meydana gelir.

Tersi durumlar da meydana gelebilir. Uygun koşullar altında, bir elekt­ron ve bir pozitron, en az 1,02 MeV toplam enerjiye sahip iki gamma ışını fo­tonu meydana getirmek için birbirini yok edebilir:

e^– + e⁺ —–> 2γ

Elektron-pozitron sisteminin başlangıç momentumu yaklaşık sıfır olduğun­dan, bu işlemde momentumun korunması için iki gamma ışının zıt yönlerde hareket etmesi gereklidir. Sitemin tüm enerjisi bir fotona aktarılmış olsaydı sistemin momentumu yüksek olacaktı, momentum korunmayacaktı. İki foton, elektron—pozitron sisteminin momentumunun yok edilmeden önceki momentumdan küçük veya ona eşit olmasının sonucu zıt yönlerde hareket edebilirler. Çok seyrek olarak bir proton ve bir anti proton birbirini yok ede­rek iki gamma ışını fotonu meydana getirir.

Hemen hemen, bilinen her temel parçacığın ayrı bir anti parçacığı vardır. Foton ve yüksüz piyon (π°) bunların dışındadır. 1950’lerde yüksek enerji hız­landırıcılarının inşasından sonra birçok başka parçacık keşfedildi. Emilio Ser­ge (1905-1989) ve Owen Chamberlain (d. 1920) tarafından 1955 de keşfedi­len anti proton ve bundan kısa bir süre sonra keşfedilen anti nötron bunlara dahildir.

Elektron-pozitron yok edilmesi, pozitron yayınlama tomografisi (PET) deni­len tıbbi teşhis tekniğinde kullanılır. Hastaya pozitron yayınlayarak bozunan radyoaktif bir madde içeren glikoz çözeltisi enjekte edilir ve madde kan ile vü­cudun her tarafına taşınır. Glikoz çözeltisindeki çekirdeklerden birindeki bozunma olayı sürecinde yayınlanan bir pozitron ile çevrede bulunan dokudaki bir elektronun birbirini yok etmesi sonucunda zıt yönlerde giden iki gamma ışını fotonu yayınlanır. Foton kaynağı olan tedavi altındaki bölgede bulunan bir gamma detektörü, bir bilgisayar yardımıyla, glikoz biriken bölgelerin gö­rüntüsünü verir. (Kanser tümörlerinde hızla özümsenen ve bu bölerde biriken glikoz, PET detektör sistemi için güçlü bir sinyal sağlar.) PET ekranın­daki görüntüler beyinde Alzheimer hastalığından kaynaklanan büyük düzensizliği gösterebilir. Buna ek olarak, glikoz beynin aktif bölgelerinden daha hızlı özümsendiğinden, PET ekranı, o anda hastanın beyninin konuşma yetisi, müzik ve görme aktivitelerinin olduğu bölgeleri de gösterebilir.