포시트로늄 - Positronium

포시트로늄 - Positronium

포시트로늄(Positronium, Ps)은 전자와 그 반분자, 양분자로 이루어진 시스템으로, 이국적인 원자, 특히 오니움으로 묶여 있다. 시스템은 불안정하다: 두 입자는 상대 스핀 상태에 따라 주로 두세 개의 감마선을 생성하기 위해 서로를 소멸시킨다. 두 입자의 에너지 수준은 수소 원자(양자와 전자의 결합 상태)와 비슷하다. 그러나 질량이 감소했기 때문에 스펙트럼 라인의 주파수는 해당 수소 라인의 절반 미만이다.

상태

양전자의 질량은 1.022 MeV로 전자 질량의 2배에서 몇 eV의 결합에너지를 뺀 것이다. 양전자의 지반 상태는 수소와 마찬가지로 전자와 양전자의 스핀들의 상대적 방향에 따라 두 가지의 구성이 가능하다. 싱글릿(singlet) 상태, ¹S0, 항타렐 스핀(S=0, M_s=0)은 파라 포시트로늄(p-Ps)으로 알려져 있다. 평균 수명은 0.125ns이고 각각 511 keV의 에너지를 갖는 두 개의 감마선으로 우선 분해된다(질량 중심 프레임에서). 이러한 광자를 검출함으로써 붕괴가 발생한 위치를 파악할 수 있다. 이 과정은 양전자 방출 단층 촬영에 사용된다. 파라포시트로늄은 일정한 수의 광자로 붕괴할 수 있지만, 개수에 따라 확률은 급격히 감소한다: 4개의 광자에 대한 붕괴의 분지 비율은 1.439(2)×10-^6이다.

진공에서의 파라 포시트로늄 수명은 대략 아래와 같다.

그러나 O(α²)에 대한 보정을 사용한 보다 정확한 계산은 붕괴율에 대해 7.040 μs-1의 값을 산출하며, 이는 142 ns의 수명에 해당한다.

2S 상태의 포지트로늄은 전멸에 대비하여 1100ns의 수명을 가지는 것으로 계산할 수 있다. 그렇게 흥분된 상태에서 만들어진 양전체는 빠르게 지상으로 내려가고, 그 곳에서 섬멸이 더 빨리 일어날 것이다.

측정

이러한 수명 및 에너지 수준의 측정은 양자 전자역학의 정밀 테스트에 사용되어 양자 전자역학(QED) 예측을 고 정밀도로 확인했다. 전멸은 다수의 채널을 통해 진행될 수 있으며, 각 채널은 총 에너지 1022 keV(전자 및 양전자 질량 에너지의 합계)의 감마선을 생성하며, 보통 2 또는 3의 감마선을 생성하며, 단일 전멸에서 최대 5개의 감마선 광자가 기록된다. 중성미자-안티뉴트리노 쌍으로 전멸하는 것도 가능하지만, 그 확률은 무시해도 좋을 것으로 예측된다. 이 채널의 o-Ps 붕괴에 대한 분기 비율은 표준 모델에 기초한 예측에서 6.2×10^-18(전기 중성미자-항티뉴트리노 쌍)과 9.5×10^-21(기타 향미)이지만, 상대적으로 높은 자기 모멘트처럼 비표준 중성미자 성질에 의해 증가될 수 있다. 이 붕괴에 대한 분기 비율에 대한 실험상 상한은 <4.3×10^−7에 대한 p-Ps와 <4.2 × 10^-7에 대한 -Ps이다.

역사

스테판 모호로비치치는 천문학자 나흐리히텐에 실린 1934년 논문에서 포지트로니움의 존재를 예측했는데, 이를 '전극'이라고 불렀다. 다른 소식통들은 칼 앤더슨이 칼텍에 있는 동안 1932년에 그것의 존재를 예언했다고 믿고 있다. 1951년 MIT에서 마틴 도이치에 의해 실험적으로 발견되어 양전증(positronium)으로 알려지게 되었다. 이후 많은 실험에서 그 성질을 정밀하게 측정하고 양자 전자역학의 예측을 검증했다. 정형외과-포시트로늄 평생 퍼즐로 알려진 불일치가 한동안 지속되었지만, 결국 추가 계산과 측정으로 해결되었다. 적은 비율로만 생산된 비열성 양전자의 수명 측정 때문에 측정이 잘못되었다. 이것은 너무 긴 수명을 낳았었다. 또한 상대론적 양자 전자역학을 이용한 계산은 수행하기가 어려우므로, 첫 번째 순서에만 행해져 있었다. 더 높은 순서가 포함된 보정은 비-상대적 양자 전자역학으로 계산되었다.