البوزيترونيوم

البوزيترونيوم ( Ps ) هو نظام يتكون من إلكترون وجسيمه المضاد ، البوزيترون ، مرتبطين معًا لتكوين ذرة غريبة ، تُعرف باسم الأونيوم . على عكس الهيدروجين، لا يحتوي هذا النظام على بروتونات . وهو نظام غير مستقر، حيث يفني الجسيمان بعضهما البعض، مُنتجين في الغالب شعاعين أو ثلاثة أشعة غاما ، اعتمادًا على حالات الدوران النسبية. تتشابه مستويات طاقة الجسيمين مع مستوى طاقة ذرة الهيدروجين (وهي حالة ارتباط بين بروتون وإلكترون). ومع ذلك، نظرًا لانخفاض الكتلة، فإن ترددات خطوط الطيف أقل من نصف ترددات خطوط الهيدروجين المقابلة.

كتلة البوزيترونيوم هي 1.022  ميغا إلكترون فولت، أي ضعف كتلة الإلكترون مطروحًا منها طاقة الربط التي تبلغ بضعة إلكترون فولت. أدنى حالة مدارية طاقة للبوزيترونيوم هي 1S، ومثل الهيدروجين، له بنية فائقة الدقة ناتجة عن التوجهات النسبية لدوران الإلكترون والبوزيترون.

الحالة المفردة ، ¹​Sيُعرف العنصر ذو اللف المغزلي المتعاكس (S = 0، M s = 0) _باسم بارا-بوزيترونيوم (p-Ps)_.ويبلغمتوسط​​عمره0.    0.12 نانوثانية  ويتحلل بشكل تفضيلي إلى شعاعين من أشعة غاما بطاقة قدرهاطاقة كل جسيم 511 كيلو إلكترون فولت  (في إطار مركز الكتلة ). يمكن أن يتحلل البارابوزيترونيوم إلى أي عدد زوجي من الفوتونات (2، 4، 6، ...)، لكن الاحتمالية تتناقص بسرعة مع ازدياد العدد: نسبة التفرع للتحلل إلى 4 فوتونات هي1.439(2) × 10 ⁻⁶ . ^{[ 1 ]}

يبلغ عمر البارابوزيترونيوم في الفراغ حوالي ^{[ 1 ]}$${\displaystyle t_{0}={\frac {2\hbar }{m_{\mathrm {e} }c^{2}\alpha ^{5}}}=0.1244~\mathrm {ns} .}$$

تُعرف حالات التريبلت، 3S1، ذات اللف المغزلي المتوازي (S = 1، Ms = −1، 0، 1) باسم أورثو - بوزيترونيوم ⁽ o - Ps ) ، ولها طاقة _أعلى بحوالي 0.001 _{إلكترون} فولت من حالة السنجلت. ^[ 1 ^] ويبلغ متوسط ​​عمر هذه الحالات 0 ^.    142.05 ± 0.02  نانوثانية ، ^{[ 2 ]} والتحلل الرئيسي هو ثلاث أشعة غاما. أما أنماط التحلل الأخرى فهي ضئيلة؛ فعلى سبيل المثال، نمط الفوتونات الخمسة له نسبة تفرع تبلغ ≈10 ⁻⁶ . ^{[ 3 ]}

يمكن حساب عمر البوزيترونيوم المتعامد في الفراغ تقريبًا على النحو التالي: ^{[ 1 ]}$${\displaystyle t_{1}={\frac {{\frac {1}{2}}9h}{2m_{\mathrm {e} }c^{2}\alpha ^{6}(\pi ^{2}-9)}}=138.6~\mathrm {ns} .}$$

ومع ذلك، فإن الحسابات الأكثر دقة مع تصحيحات لـ O (α ² ) تعطي قيمة لـ7.040 ميكروثانية⁻¹  لمعدل الاضمحلال، وهو ما يتوافق مع عمر ^{افتراضي قدره}142  نانوثانية . ^{[ 4 ] [ 5 ]}

البوزيترونيوم في الحالة 2S هو عنصر شبه مستقر وله عمر افتراضي يبلغ1100  نانوثانية ضد الإفناء . ^{[ 6 ]} سينتقل البوزيترونيوم المتكون في مثل هذه الحالة المثارة بسرعة إلى الحالة الأرضية، حيث سيحدث الإفناء بشكل أسرع.

بينما يعتمد الحساب الدقيق لمستويات طاقة البوزيترونيوم على معادلة بيث-سالبيتر أو معادلة برايت ، فإن التشابه بين البوزيترونيوم والهيدروجين يسمح بتقدير تقريبي. في هذا التقدير، تختلف مستويات الطاقة بسبب اختلاف الكتلة الفعالة، μ ، في معادلة الطاقة (انظر مستويات طاقة الإلكترون للاطلاع على الاشتقاق). $${\displaystyle E_{n}=-{\frac {\mu q_{\mathrm {e} }^{4}}{8h^{2}\varepsilon _{0}^{2}}}{\frac {1}{n^{2}}},}$$ أين:

• q _e هي مقدار شحنة الإلكترون (وهي نفسها شحنة البوزيترون).
• h هو ثابت بلانك ،
• ε ₀ هو الثابت الكهربائي (المعروف أيضًا باسم سماحية الفراغ)،
• μ هي الكتلة المختزلة :$${\displaystyle \mu ={\frac {m_{\mathrm {e}}m_{\mathrm {p} }}{m_{\mathrm {e} }+m_{\mathrm {p} }}}={\frac {m_{\mathrm {e} }^{2}}{2m_{\mathrm {e} }}}={\frac {m_{\mathrm {ه} }}{2}},}$$حيث m _e و m _p هما، على التوالي، كتلة الإلكترون والبوزيترون (وهما نفس الجسيمات المضادة بحكم التعريف).

وبالتالي، بالنسبة للبوزيترونيوم، فإن كتلته المختزلة تختلف عن الإلكترون بمعامل 2 فقط. وهذا يجعل مستويات الطاقة أيضًا نصف ما هي عليه تقريبًا بالنسبة لذرة الهيدروجين.

وأخيرًا، تُعطى مستويات طاقة البوزيترونيوم بالصيغة التالية: $$$$ {ن^{2}}}.}$$

أدنى مستوى طاقة للبوزيترونيوم ( n = 1 ) هو-6.8  إلكترون فولت . المستوى التالي هو-1.7  إلكترون فولت . الإشارة السالبة اصطلاحٌ يدل على حالة مُقيدة . يمكن أيضًا دراسة البوزيترونيوم من خلال صيغة خاصة لمعادلة ديراك ثنائية الجسيمات ؛ حيث يمكن فصل جسيمين بتفاعل كولوم بدقة في إطار مركز الزخم (النسبي) ، وقد تم الحصول على طاقة الحالة الأرضية الناتجة بدقة عالية باستخدام طرق العناصر المحدودة لجانين شيرتزر . ^{[ 9 ]} أدت نتائجهم إلى اكتشاف حالات شاذة. ^{[ 10 ] [ 11 ]} معادلة ديراك التي يتكون هاميلتونيانها من جسيمين ديراك وجهد كولوم ثابت ليست ثابتة نسبيًا. ولكن إذا أضفنا الحد 1 / c²n ( أو ^{α²n ،} حيث α هو ثابت البنية الدقيقة )، حيث ⁿ = 1، 2، ... ، فإن النتيجة ^تصبح ثابتة نسبيًا. يتم تضمين الحد الرئيسي فقط. يمثل مساهمة α ² مصطلح برايت؛ ونادراً ما ينتقل الباحثون إلى α 4 ^لأنه عند α ³ يحدث انزياح لامب، الأمر الذي يتطلب الديناميكا الكهربائية الكمومية. ^{[ 9 ]}

بعد أن تخضع ذرة مشعة في مادة ما لتحلل بيتا ^الموجب (انبعاث بوزيترون)، يتباطأ البوزيترون الناتج عالي الطاقة نتيجة اصطدامه بالذرات، ثم يفنى في النهاية مع أحد الإلكترونات العديدة الموجودة في المادة. مع ذلك، قد يتشكل البوزيترونيوم أولًا قبل حدوث عملية الفناء. يُعد فهم هذه العملية ذا أهمية في التصوير المقطعي بانبعاث البوزيترون . ^{[ 12 ] [ 13 ]}

• حوالي 60% من البوزيترونات تفنى مباشرةً مع الإلكترون دون تكوين البوزيترونيوم. ينتج عن هذا الفناء عادةً شعاعان من أشعة غاما. في معظم الحالات، لا يحدث هذا الفناء المباشر إلا بعد أن يفقد البوزيترون طاقته الحركية الزائدة ويصل إلى حالة التوازن الحراري مع المادة.
• يشكل حوالي 10٪ من البوزيترونات بارا -بوزيترونيوم، والذي يتحلل بعد ذلك على الفور (في حوالي 0.12 نانوثانية)، وعادة ما يتحلل إلى شعاعين من أشعة جاما.
• يشكل حوالي 30% من البوزيترونات ذرات أورثو -بوزيترونيوم، ثم تتلاشى في غضون بضع نانوثوانٍ عن طريق انتزاع إلكترون مجاور ذي دوران معاكس. ينتج عن هذا عادةً شعاعان من أشعة غاما. خلال هذه الفترة، تُظهر ذرة البوزيترونيوم خفيفة الوزن حركةً قويةً عند نقطة الصفر، مما يُولّد ضغطًا ويدفع فقاعةً صغيرةً بحجم النانومتر في الوسط.
• لا يشكل سوى 0.5% تقريبًا من البوزيترونات جسيمات أورثو -بوزيترونيوم التي تتحلل ذاتيًا (عادةً إلى ثلاث أشعة غاما). معدل التحلل الطبيعي هذا لجسيمات أورثو -بوزيترونيوم بطيء نسبيًا (عمر التحلل حوالي 140 نانوثانية)، مقارنةً بعملية الالتقاط المذكورة سابقًا، ولهذا السبب نادرًا ما يحدث تحلل أشعة غاما الثلاث.

تنبأ الفيزيائي الكرواتي ستيبان موهوروفيتشيتش بوجود حالة ارتباط بين إلكترون وبوزيترون في مقال نُشر عام 1934 في مجلة Astronomische Nachrichten ، وأطلق عليها اسم "إلكتروم" ^{[ 15 ]} ، مع أنه لم يُعرّف البوزيترون آنذاك بأنه مضاد إلكترون ديراك. ^{[ 16 ]} في عام 1945، اقترح آرثر روارك اسم "بوزيترونيوم" لأبسط ذرة غير مستقرة تتكون من إلكترون وبوزيترون، بينما كان جون ويلر يعمل في الوقت نفسه على ورقة بحثية أطول حول موضوع الإلكترونات المتعددة . ^{[ 16 ]} وبينما أعاد كلا المؤلفين، دون قصد، إنتاج بعض نتائج موهوروفيتشيتش، مثل حجم ذرة البوزيترونيوم وطيفها البصري، فقد أدركا أيضًا أن البوزيترون هو مضاد إلكترون، وأن الذرة ستتحلل بالتالي عن طريق الإفناء إلى طاقة إشعاعية خالصة. ^{[ 16 ]}

تم اكتشاف البوزيترونيوم تجريبياً بواسطة مارتن دويتش في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في عام 1951. ^{[ 17 ]} وقد قامت العديد من التجارب اللاحقة بقياس خصائصه بدقة والتحقق من تنبؤات الديناميكا الكهربائية الكمومية.

استمرّ التناقض المعروف باسم لغز عمر البوزيترونيوم المتعامد لبعض الوقت، ولكن تمّ حلّه بمزيد من الحسابات والقياسات. ^{[ 18 ]} كانت القياسات خاطئة بسبب قياس عمر البوزيترونيوم غير المُسخّن، والذي كان يُنتَج بمعدل ضئيل. وقد أدّى ذلك إلى أعمار أطول من اللازم. كما أن الحسابات باستخدام الديناميكا الكهربائية الكمومية النسبية صعبة، لذا فقد أُجريت حتى الرتبة الأولى فقط. ثمّ حُسبت التصحيحات التي تشمل رتبًا أعلى في الديناميكا الكهربائية الكمومية غير النسبية. ^{[ 4 ]}

في عام 2024، كان فريق AEgIS في مركز CERN أول من نجح في تبريد البوزيترونيوم باستخدام ضوء الليزر، مما أتاح استخدامه في التجارب. وقد تم تبريد المادة إلى درجة حرارة -100 درجة مئوية (-148 درجة فهرنهايت) باستخدام التبريد بالليزر . ^{[ 19 ] [ 20 ]}  

يوجد أيون البوزيترونيوم السالب في حالة مقيدة، وقد تم الإبلاغ عن أول ملاحظة له في عام 1981 بواسطة ألين ميلز. ^{[ 21 ]}

تم التنبؤ بوجود روابط جزيئية للبوزيترونيوم. ^{[ 22 ]} ويمكن تصنيع جزيئات هيدريد البوزيترونيوم (PsH). ^{[ 23 ]} كما يمكن للبوزيترونيوم تكوين السيانيد، ويمكنه تكوين روابط مع الهالوجينات أو الليثيوم. ^{[ 24 ]}

أُبلغ عن أول رصد لجزيئات ثنائي البوزيترونيوم ( Ps2 ₎ - وهي جزيئات تتكون من ذرتين من البوزيترونيوم - في 12 سبتمبر 2007 من قبل ديفيد كاسيدي وآلان ميلز من جامعة كاليفورنيا، ريفرسايد . ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]}

على عكس الميونيوم ، لا يمتلك البوزيترونيوم نواة مماثلة، لأن الإلكترون والبوزيترون لهما نفس الكتلة. ^{[ 28 ]} ونتيجة لذلك، بينما يميل الميونيوم إلى التصرف كنظير خفيف للهيدروجين، ^{[ 29 ]} يُظهر البوزيترونيوم اختلافات كبيرة في الحجم والاستقطابية وطاقة الربط مقارنةً بالهيدروجين. ^{[ 28 ]}

إن الأحداث التي وقعت في الكون المبكر والتي أدت إلى عدم تناظر الباريونات تسبق تكوين الذرات (بما في ذلك الأنواع الغريبة مثل البوزيترونيوم) بحوالي ثلث مليون سنة، لذلك لم تكن هناك ذرات بوزيترونيوم في ذلك الوقت.

وبالمثل، فإن البوزيترونات التي تحدث بشكل طبيعي في الوقت الحاضر تنتج عن تفاعلات عالية الطاقة مثل تفاعلات الأشعة الكونية مع الغلاف الجوي، وبالتالي فهي ساخنة للغاية (ذات طاقة حرارية عالية) بحيث لا يمكنها تكوين روابط كهربائية قبل الفناء .

• الهيليوم المضاد للبروتونات
• معادلة بريت
• ثنائي البوزيترونيوم
• الإكسيتون - نظير الحالة الصلبة
• البروتونيوم
• الديناميكا الكهربائية الكمومية
• الكواركونيوم
• معادلات ديراك ثنائية الجسم

• فناء البوزيترونيوم - محاضرات فاينمان في الفيزياء
• البحث عن البوزيترونيوم
• نعي مارتن دويتش، مكتشف البوزيترونيوم