पोजीट्रॉन

पॉज़िट्रॉन या प्रतिइलेक्ट्रॉन अतिसूक्ष्म परमाणु का कण  या  प्रतिकण  समकक्ष है। इसमें +1 e का विद्युत आवेश, 1/2 का एक  चक्रण (भौतिकी) (अतिसूक्ष्म परमाणु के समान) और एक अतिसूक्ष्म परमाणु के समान द्रव्यमान होता है। जब एक पॉज़िट्रॉन एक अतिसूक्ष्म परमाणु से टकराता है, तो  विलोपन होता है। यदि यह टकराव कम ऊर्जा पर होता है, तो यह दो या अधिक फोटॉन के उत्पादन में परिणाम होता है।

पॉज़िट्रॉन को पॉज़िट्रॉन उत्सर्जन  रेडियोधर्मी क्षय (कमजोर अन्तःक्रिया के माध्यम से), या एक पर्याप्त ऊर्जावान फोटॉन से जोड़ी उत्पादन द्वारा बनाया जा सकता है जो एक सामग्री में एक परमाणु के साथ परस्पर क्रिया कर रहा है।

सिद्धांत
1928 में, पॉल डीरेक ने एक पेपर प्रकाशित किया जिसमें कहा गया था कि अतिसूक्ष्म परमाणुओं में धनात्मक और ऋणात्मक दोनों प्रकार आवेश हो सकते हैं। इस पेपर ने ज़ीमैन प्रभाव को समझाने के लिए डीरेक समीकरण, प्रमाट्रा सिद्धान्त का एक एकीकरण, विशेष सापेक्षता  और अतिसूक्ष्म परमाणु चक्रण (भौतिकी) की तत्कालीन नई अवधारणा को प्रस्तुत किया। पेपर ने स्पष्ट रूप से एक नए कण की भविष्यवाणी नहीं की, लेकिन अतिसूक्ष्म परमाणुओं को समाधान के रूप में सकारात्मक या नकारात्मक ऊर्जा के लिए अनुमति दी। उसके बाद  हरमन वेइल  ने नकारात्मक ऊर्जा समाधान के गणितीय प्रभावों पर चर्चा करते हुए एक पेपर प्रकाशित किया। सकारात्मक-ऊर्जा समाधान ने प्रायोगिक परिणामों की व्याख्या की, लेकिन डीरेक को समान रूप से मान्य नकारात्मक-ऊर्जा समाधान से हैरान थे जिसे गणितीय प्रतिरूप ने अनुमति दी थी। प्रमाट्रा सिद्धान्त ने नकारात्मक ऊर्जा समाधान को केवल अनदेखा करने की अनुमति नहीं दी, क्योंकि चिरसम्मत यांत्रिकी प्रायः ऐसे समीकरणों में करते थे; दोहरे समाधान ने एक अतिसूक्ष्म परमाणु की संभावना को सकारात्मक और नकारात्मक ऊर्जा अवस्थाओं के बीच अनायास कूदने की संभावना को निहित किया। हालांकि, इस तरह के किसी भी संक्रमण को अभी तक प्रयोगात्मक रूप से नहीं देखा गया था।

डीरेक ने दिसंबर 1929 में एक अनुवर्ती पत्र लिखा था जिसमें सापेक्ष अतिसूक्ष्म परमाणु के लिए अपरिहार्य नकारात्मक-ऊर्जा समाधान की व्याख्या करने का प्रयास किया गया था। उन्होंने तर्क दिया कि ... नकारात्मक ऊर्जा के साथ एक अतिसूक्ष्म परमाणु एक बाहरी [विद्युत चुम्बकीय] क्षेत्र में चलता है, हालांकि यह एक सकारात्मक आवेश वहन करता है। उन्होंने आगे कहा कि सभी अंतरिक्ष को नकारात्मक ऊर्जा अवस्थाओं के "समुद्र" के रूप में माना जा सकता है जो भरे हुए थे, ताकि सकारात्मक ऊर्जा अवस्थाओं (नकारात्मक विद्युत आवेश) और नकारात्मक ऊर्जा अवस्थाओं (सकारात्मक आवेश) के बीच अतिसूक्ष्म परमाणुओं को कूदने से रोका जा सके। उस पत्र ने इस समुद्र में प्रोटॉन के एक द्वीप होने की संभावना का भी पता लगाया, और यह वास्तव में एक नकारात्मक-ऊर्जा अतिसूक्ष्म परमाणु हो सकता है। डीरेक ने स्वीकार किया कि अतिसूक्ष्म परमाणु की तुलना में बहुत अधिक द्रव्यमान होने वाला प्रोटॉन एक समस्या थी, लेकिन उम्मीद व्यक्त की कि भविष्य का सिद्धांत इस विषय को हल करेगा।

रॉबर्ट ओपेनहाइमर ने प्रोटॉन के विपरीत दृढ़ता से तर्क दिया कि डीरेक के समीकरण के लिए नकारात्मक-ऊर्जा अतिसूक्ष्म परमाणु समाधान है। उन्होंने कहा कि अगर यह होता, तो हाइड्रोजन परमाणु तेजी से आत्म-विलोपन करता। 1931 में हरमन वेइल ने दिखाया कि नकारात्मक-ऊर्जा अतिसूक्ष्म परमाणु का द्रव्यमान सकारात्मक-ऊर्जा अतिसूक्ष्म परमाणु के द्रव्यमान के बराबर होना चाहिए। ओपेनहाइमर और वेइल के तर्क से प्रेरित होकर, डीरेक ने 1931 में एक पेपर प्रकाशित किया, जिसमें एक अभी तक-अनदेखे कण के अस्तित्व की भविष्यवाणी की गई थी, जिसे उन्होंने एक विरोधी-अतिसूक्ष्म परमाणु कहा था, जिसका द्रव्यमान और आवेश एक अतिसूक्ष्म परमाणु के विपरीत होगा और जो एक अतिसूक्ष्म परमाणु के साथ संपर्क में आने पर पारस्परिक रूप से नष्ट हो जाएगा।

फेनमैन, और इससे पहले स्टुकेलबर्ग , ने समय में पीछे की ओर बढ़ते अतिसूक्ष्म परमाणु के रूप में पॉज़िट्रॉन की व्याख्या का प्रस्ताव दिया, डीरेक समीकरण के नकारात्मक-ऊर्जा समाधानों की पुनर्व्याख्या की। समय के साथ पीछे की ओर बढ़ने वाले अतिसूक्ष्म परमाणुओं में एक सकारात्मक विद्युत आवेश होगा। जॉन आर्चीबाल्ड व्हीलर ने बाद में इस अवधारणा को सभी अतिसूक्ष्म परमाणुओं द्वारा साझा किए गए समान गुणों की व्याख्या करने के लिए लागू किया, यह सुझाव देते हुए कि एक-अतिसूक्ष्म परमाणु सभी एक समान अतिसूक्ष्म परमाणु हैं, जो एक जटिल, आत्म-आंतरिक विश्व रेखा के साथ हैं।  योइचिरो नम्बू ने बाद में इसे कण-प्रतिकण युग्मों के सभी उत्पादन और विलोपन के लिए लागू किया, जिसमें कहा गया है कि "जोड़े का अंतिम निर्माण और विलोपन जो अब हो सकता है, वह कोई निर्माण या विलोपन नहीं है, लेकिन केवल गतिमान कणों की दिशा का एक परिवर्तन है, अतीत से भविष्य तक या भविष्य से अतीत तक। समय की दृष्टि से पिछड़ेपन को आजकल अन्य चित्रों के बिल्कुल समकक्ष के रूप में स्वीकार किया जाता है, लेकिन इसका सूक्ष्म संबंध के "कारण" और "प्रभाव" से कोई लेना-देना नहीं है, जो सूक्ष्म भौतिक विवरण में दिखाई नहीं देते हैं।

प्रायोगिक सुराग और खोज


कई सूत्रों ने दावा किया है कि दिमित्री स्कोबेल्ट्सन  ने पहली बार 1930 से पहले या 1923 की शुरुआत में भी पॉज़िट्रॉन का अवलोकन किया था।  वे कहते हैं कि कॉम्पटन प्रभाव का अध्ययन करने के लिए विल्सन मेघकक्ष का उपयोग करते हुए, स्कोबेल्टसिन ने उन कणों का पता लगाया जो अतिसूक्ष्म परमाणुओं की तरह काम करते थे, लेकिन यह एक लागू चुंबकीय क्षेत्र में विपरीत दिशा में घुमावदार थे, और उन्होंने 23-27 जुलाई 1928 को कैम्ब्रिज में एक सम्मेलन में इस घटना के साथ तस्वीरें प्रस्तुत कीं। 1963 से पॉज़िट्रॉन खोज के इतिहास पर अपनी पुस्तक में  नॉरवुड रसेल हैनसन ने इस दावे के कारणों का एक विस्तृत विवरण दिया है, और यह मिथक की उत्पत्ति का मूल भी हो सकता है। लेकिन उन्होंने इस पर एक परिशिष्ट में स्कोबेल्टसिन की आपत्ति भी प्रस्तुत की। बाद में, स्कोबेल्टसिन ने इस दावे को और भी दृढ़ता से अस्वीकृत कर दिया, इसे "कुछ भी नहीं बल्कि पूर्णतया बे मतलब की बात" कहा।

स्कोबेल्टसिन ने दो महत्वपूर्ण योगदानों द्वारा पॉज़िट्रॉन की अंतिम खोज के लिए मार्ग प्रशस्त किया: अपने मेघकक्ष में एक चुंबकीय क्षेत्र जोड़ना (1925 में और आवेशित कण ब्रह्मांडीय किरणों की खोज करके, जिसके लिए उन्हें कार्ल एंडरसन के नोबेल व्याख्यान में श्रेय दिया जाता है। स्कोबेल्टसिन ने 1931 में ली गई छवियों पर संभावित पॉज़िट्रॉन मार्ग का निरीक्षण किया, लेकिन उस समय उनकी पहचान नहीं की।

इसी तरह, 1929 में कैलटेक में एक स्नातक छात्र  चुंग-या ओसी हाओ ने कुछ विषम परिणामों पर ध्यान दिया, जो अतिसूक्ष्म परमाणुओं की तरह व्यवहार करने वाले कणों का संकेत देते थे, लेकिन एक सकारात्मक आवेश के साथ, हालांकि परिणाम अनिर्णायक थे और घटना का पीछा नहीं किया गया था।

कार्ल डेविड एंडरसन ने 2 अगस्त 1932 को पॉज़िट्रॉन की खोज की, जिसके लिए उन्होंने 1936 में भौतिकी के लिए नोबेल पुरस्कार जीता। एंडरसन ने पॉज़िट्रॉन शब्द नही गढ़ा, लेकिन भौतिक समीक्षा जर्नल संपादक के सुझाव पर इसकी अनुमति दी, जिसे उन्होंने 1932 के अंत में अपना खोज पत्र प्रस्तुत किया था। पॉज़िट्रॉन प्रतिद्रव्य का पहला प्रमाण था और इसकी खोज तब की गई जब एंडरसन ने अंतरिक्ष किरणों को पारित करने की अनुमति दी थी। एक चुंबक ने इस उपकरण को घेर लिया, जिससे कण उनके विद्युत आवेश के आधार पर अलग-अलग दिशाओं में मुड़ गए। प्रत्येक पॉज़िट्रॉन द्वारा छोड़े गए आयन निशान एक अतिसूक्ष्म परमाणु के द्रव्यमान-से-आवेश अनुपात से मेल खाने वाले वक्रता के साथ फ़ोटो की प्लेट पर दिखाई दिए, लेकिन एक दिशा में जिसने इसका प्रभार दिखाया, वह सकारात्मक था।

एंडरसन ने रेट्रोस्पेक्ट में लिखा है कि पॉज़िट्रॉन को पहले चुंग-याओ चाओ के काम के आधार पर खोजा जा सकता था, अगर केवल इसका पालन किया गया होता। पेरिस में फ़्रेडरिक और आइरीन जूलियट-क्यूरी के पास एंडरसन के परिणाम आने पर पुरानी तस्वीरों में पॉज़िट्रॉन के प्रमाण थे, लेकिन उन्होंने उन्हें प्रोटॉन के रूप में अस्वीकृत कर दिया था।

पॉज़िट्रॉन को 1932 में कैवेन्डिश प्रयोगशाला में पैट्रिक ब्लैकेट और ग्यूसेप ओचियालिनी द्वारा समकालीन रूप से खोजा गया था। ब्लैकेट और ओचियालिनी ने अधिक ठोस प्रमाण प्राप्त करने के लिए प्रकाशन में देरी की थी, इसलिए एंडरसन पहले खोज को प्रकाशित करने में सक्षम थे।

प्राकृतिक उत्पादन
प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले रेडियोधर्मी समस्थानिक (उदाहरण के लिए, पोटेशियम -40) के β+ क्षय में और पदार्थ के साथ गामा क्वांटा (रेडियोधर्मी नाभिक द्वारा उत्सर्जित) की परस्पर क्रियाओं में प्राकृतिक रूप से न्युट्रीनो  के साथ पॉसिट्रॉन का उत्पादन होता है। प्रतिन्यूट्रीनो प्राकृतिक रेडियोधर्मिता द्वारा उत्पादित एक अन्य प्रकार के प्रतिकण हैं। कई अलग-अलग प्रकार के प्रतिकण भी ब्रह्मांडीय किरणों द्वारा निर्मित (और उनमें समाहित) होते हैं। अमेरिकन एस्ट्रोनॉमिकल सोसाइटी  द्वारा 2011 में प्रकाशित शोध में, पॉसिट्रॉन की खोज गरज वाले बादलों पर की गई थी; बादलों में मजबूत विद्युत क्षेत्रों द्वारा त्वरित किए गए अतिसूक्ष्म परमाणुओं द्वारा निर्मित गामा-किरण चमक में पॉसिट्रॉन का उत्पादन किया जाता है। PAMELA प्रतिरूप द्वारा पृथ्वी के चारों ओर  वैन एलन बेल्ट  में प्रति प्रोटॉन भी पाए गए हैं।

प्रतिकण, जिनमें से सबसे आम प्रति न्यूट्रिनो और पॉसिट्रॉन उनके कम द्रव्यमान के कारण, किसी भी वातावरण में पर्याप्त रूप से उच्च तापमान (जोड़ी उत्पादन सीमा से अधिक कण ऊर्जा) के साथ उत्पादित होते है। बेरिनोजेनेसिस की अवधि के बीच, जब ब्रह्मांड बहुत गर्म और घना था, तो पदार्थ की उपस्तिथि, और पता लगाने योग्य शेष प्रतिद्रव्य की अनुपस्थिति, जिसे बेरोन विषमता भी कहा जाता है, को  CP-उल्लंघन के लिए जिम्मेदार ठहराया जाता है: प्रतिद्रव्य से संबंधित CP-समरूपता का उल्लंघन। बैरोजेनेसिस के दौरान इस उल्लंघन का सटीक तंत्र एक रहस्य बना हुआ है।

रेडियोधर्मी से पॉज़िट्रॉन उत्पादन beta+ क्षय को कृत्रिम और प्राकृतिक उत्पादन दोनों माना जा सकता है, क्योंकि विकिरण समस्थानिक की पीढ़ी प्राकृतिक या कृत्रिम हो सकती है। कदाचित सबसे प्रसिद्ध स्वाभाविक रूप से होने वाला विकिरण समस्थानिक जो पॉज़िट्रॉन का उत्पादन करता है, वह पोटेशियम -40 है, पोटेशियम का एक लंबे समय तक रहने वाला समस्थानिक है जो पोटेशियम के प्राथमिक समस्थानिक के रूप में होता है। भले ही यह पोटेशियम (0.0117%) का एक छोटा प्रतिशत है, यह मानव शरीर में सबसे अधिक प्रचुर मात्रा में विकिरण समस्थानिक है। एक मानव शरीर में 70 kg द्रव्यमान, 40 K के लगभग4,400 नाभिक प्रति सेकंड क्षय होता है। प्राकृतिक पोटेशियम की गतिविधि 31  बेक्वेरेल /जी है। इन 40K क्षयों में से लगभग 0.001%  मानव शरीर में प्रति दिन लगभग 4000 प्राकृतिक पॉज़िट्रॉन का उत्पादन करते हैं। ये पॉज़िट्रॉन जल्द ही एक अतिसूक्ष्म परमाणु पाते हैं, विलोपन से गुजरते हैं, और 511 KeV फोटॉन के जोड़े का उत्पादन करते हैं, एक प्रक्रिया में समान (लेकिन बहुत कम तीव्रता) जो कि PET स्कैन परमाणु चिकित्सा प्रक्रिया के दौरान होता है।

हाल के अवलोकन से संकेत मिलता है कि अंध विवर और  न्यूट्रॉन तारा   खगोलबंदी जेट में पॉज़िट्रॉन-अतिसूक्ष्म परमाणु  प्लाज्मा (भौतिकी) की विशाल मात्रा का उत्पादन करते हैं। पॉज़िट्रॉन-अतिसूक्ष्म परमाणु प्लाज्मा के बड़े बादल भी न्यूट्रॉन सितारों के साथ जुड़े हुए हैं।

ब्रह्मांडीय किरणों में अवलोकन
उपग्रह प्रयोगों में प्राथमिक ब्रह्मांडीय किरणों में पॉज़िट्रॉन (साथ ही कुछ प्रतिप्रोटोन) का प्रमाण मिला है, जिनकी मात्रा प्राथमिक ब्रह्मांडीय किरणों में कणों के 1% से भी कम है। हालांकि, ब्रह्मांडीय किरणों में पॉज़िट्रॉन के अंश को हाल ही में बेहतर सटीकता के साथ मापा गया है, विशेष रूप से बहुत अधिक ऊर्जा स्तरों पर, और पॉज़िट्रॉन के अंश को इन उच्च ऊर्जा ब्रह्मांडीय किरणों में अधिक से अधिक देखा गया है।

ये बिग बैंग से बड़ी मात्रा में प्रतिद्रव्य के उत्पाद नहीं प्रतीत होते हैं, या वास्तव में ब्रह्मांड में जटिल प्रतिद्रव्य (जिनके लिए प्रमाण की कमी है, नीचे देखें)।बल्कि, ब्रह्मांडीय किरणों में प्रतिद्रव्य केवल इन दो प्राथमिक कणों से मिलकर दिखाई देता है। हाल ही के सिद्धांतों से पता चलता है कि इस तरह के पॉज़िट्रॉन का स्रोत डार्क मैटर कणों के विलोपन, खगोलभौतिक वस्तुओं में उच्च ऊर्जाओं के लिए पॉज़िट्रॉन के त्वरण और अंतरातारक गैस के साथ ब्रह्मांडीय किरण नाभिक की परस्पर क्रिया में उच्च ऊर्जा पॉज़िट्रॉन का उत्पादन हो सकता है।

अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन पर वर्तमान में संचालित अल्फा चुंबकीय स्पेक्ट्रोमीटर (AMS-02) से प्रारंभिक परिणाम बताते हैं कि ब्रह्मांडीय किरणों में पॉज़िट्रॉन बिना किसी दिशा के साथ आते हैं, और ऊर्जा के साथ जो 0.5 GeV से 500 GEV तक होते है।  275 ± 32 GEV की ऊर्जा के आसपास कुल अतिसूक्ष्म परमाणु + पॉज़िट्रॉन घटनाओं का लगभग 16% होता है। उच्च ऊर्जा पर, 500 GEV तक, अतिसूक्ष्म परमाणुओं के लिए पॉज़िट्रॉन का अनुपात फिर से गिरना शुरू हो जाता है। पॉज़िट्रॉन का पूर्ण प्रवाह भी 500 Gev से पहले गिरना शुरू हो जाता है, लेकिन अतिसूक्ष्म परमाणु ऊर्जा की तुलना में कहीं अधिक उच्च ऊर्जा पर पहुँचा जाता है, जो लगभग 10 Gev तक पहुँच जाता है।  व्याख्या पर इन परिणामों को बड़े मानदंड पर अंधेरे पदार्थ कणों के विलोपन की घटनाओं में पॉज़िट्रॉन उत्पादन के कारण होने का सुझाव दिया गया है।

प्रति-प्रोटॉन की तरह पॉज़िट्रॉन, ब्रह्मांड के किसी भी काल्पनिक "प्रतिद्रव्य" क्षेत्रों से उत्पन्न नहीं होते हैं। इसके विपरीत, ब्रह्मांडीय किरणों में जटिल प्रतिद्रव्य परमाणु नाभिक, जैसे कि प्रतिहेलियम नाभिक (यानी, प्रति-अल्फा कण) का कोई प्रमाण नहीं है। इन्हें सक्रिय रूप से खोजा जा रहा है। AMS-02 नामित AMS-01 का एक प्रोटोटाइप, जून 1998 में STS-91 पर अंतरिक्ष में उड़ाया गया था। । किसी भी एंटीहेलियम का पता न लगाकर, AMS-01 ने 1.1 × 10 की ऊपरी सीमा की स्थापना की।

कृत्रिम उत्पादन
कैलिफोर्निया में लॉरेंस लिवरमोर नेशनल लेबोरेटरी  में भौतिकविज्ञानीयों ने एक मिलीमीटर-मोटा सोने के लक्ष्य को विकिरणित करने और 100 बिलियन से अधिक पॉज़िट्रॉन का उत्पादन करने के लिए एक छोटे, अति-गहन  लेज़र  का उपयोग किया है। वर्तमान में 5 MeV पॉज़िट्रॉन-अतिसूक्ष्म परमाणु का महत्वपूर्ण प्रयोगशाला उत्पादन कई विशेषताओं की जांच की अनुमति देता है जैसे कि विभिन्न तत्व 5 MeV पॉज़िट्रॉन पारस्परिक क्रिया या प्रभावों पर कैसे प्रतिक्रिया करते है, कणों को ऊर्जा कैसे स्थानांतरित की जाती है, और गामा-किरण फटने (GRBs) का आघात प्रभाव।

अनुप्रयोग
कुछ प्रकार के कण गतिज ऊर्जावर्धक प्रयोगों में सापेक्ष गति पर पॉज़िट्रॉन और अतिसूक्ष्म परमाणुओं को टकराना समिलित है। उच्च प्रभाव ऊर्जा और इन स्थितियों/प्रतिपदार्थों के पारस्परिक विलोपन से विविध उप-परमाणु कणों का एक फव्वारा बनता हैं। भौतिक विज्ञानी सैद्धांतिक भविष्यवाणियों का परीक्षण करने और नए प्रकार के कणों की खोज करने के लिए इन टकरावों के परिणामों का अध्ययन करते हैं।

अल्फा प्रयोग प्रति हाइड्रोजन के गुणों का अध्ययन करने के लिए प्रतिप्रोटॉन के साथ पॉज़िट्रॉन को जोड़ता है।

अस्पतालों में उपयोग किए जाने वाले पोजीट्रान एमिशन टोमोग्राफी (PET) क्रमवीक्षक में एक पॉज़िट्रॉन-उत्सर्जक रेडियोन्यूक्लाइड (ट्रेसर) द्वारा अप्रत्यक्ष रूप से उत्सर्जित गामा किरणों का पता लगाया जाता है। PET क्रमवीक्षक मानव शरीर के भीतर चयापचय गतिविधि की विस्तृत त्रि-आयामी छवियां बनाते हैं।

पोजिट्रॉन एनीहिलेशन स्पेक्ट्रोस्कोपी (PAS) नामक एक प्रयोगात्मक उपकरण का उपयोग एक ठोस सामग्री के भीतर घनत्व, दोष, विस्थापन, या यहां तक कि रिक्तियों में भिन्नता का पता लगाने के लिए सामग्री अनुसंधान में किया जाता है।

यह भी देखें

 * बीटा कण
 * बफर-गैस जाल
 * कणों की सूची
 * पोजिट्रोनियम
 * पॉसिट्रोनिक मस्तिष्क

बाहरी संबंध

 * What is a Positron? (from the Frequently Asked Questions :: Center for Antimatter-Matter Studies)
 * Website about positrons and antimatter
 * Positron information search at SLAC
 * Positron Annihilation as a method of experimental physics used in materials research.
 * New production method to produce large quantities of positrons
 * Website about antimatter (positrons, positronium and antihydrogen). Positron Laboratory, Como, Italy
 * Website of the AEgIS: Antimatter Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy, CERN
 * Synopsis: Tabletop Particle Accelerator ... new tabletop method for generating electron–positron streams.

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