Позитроны на Земле

После того как Поль Дирак указал путь, а новость об открытиях Андерсона, Блэкетта и Оккиалини быстро распространились в научном мире, позитроны стали появляться тут и там. Физики просматривали старые фотографии, сделанные в камерах Вильсона, и находили доказательства существования позитронов, которые раньше упускали. Многие, если бы обладали достаточной смелостью, смогли бы вписать свои имена в анналы истории и науки вместо Андерсона. Среди тех, кто упустил позитрон, можно назвать Ирен Жолио-Кюри, дочь Марии Кюри, и ее мужа Фредерика Жолио. Фредерик Жолио уже упустил одну Нобелевскую премию, хотя первым получил нейтроны в январе 1932 года и ошибочно принял их за гамма-лучи. Теперь они поняли, что также упустили и позитрон. Андерсон получил Нобелевскую премию за свое открытие в 1936 году. Однако в дальнейшем Кюри и Жолио повезло, и они удостоились Нобелевской премии по химии в 1935 году за получение недолговечных радиоактивных ядер. Одним из применений их работы является производство ядер, которые спонтанно эмитируют позитроны.

Естественную радиоактивность солей урана открыл Антуан Анри Беккерель (1852–1908) в 1896 году и получил Нобелевскую премию совместно с родителями Ирен Жолио-Кюри. Он обнаружил, что ядра атомов урана могут спонтанно меняться. Сегодня мы знаем: это происходит из-за того, что нейтрон в ядре превращается в протон, а электрический заряд в целом уравновешивается эмиссией отрицательно заряженного электрона. После открытия позитрона было естественным предположить, что может произойти ядерный распад, при котором протон превращается в нейтрон, а электрический заряд забирает позитрон.

Появилась идея о том, что радиоактивность может давать позитроны с такой же легкостью, как и электроны. Главная практическая разница между ними заключается в том, что происходит потом. Электрон после выбрасывания может двигаться как электрический ток или присоединиться к танцу планетарных электронов в соседних атомах, что инициирует химические реакции и бесконечные другие приключения в будущем Вселенной. В отличие от него позитрон – чужой на нашей Земле, он недолго живет в этом мире. Он оказывается окруженным материей, в которой содержится множество отрицательно заряженных электронов. И один из этих электронов мгновенно встает в пару с позитроном в космическом роковом танце. В течение микросекунды происходит аннигиляция – то есть взаимное уничтожение. Именно это в последние годы стало ключом практического использования позитронов.

Позитронная эмиссия является естественной и обычной. Способность определенных видов ядер эмитировать позитроны стала очень полезна для медицины и техники. В качестве примеров можно назвать углерод-11, азот-13 и кислород-15, которые являются радиоактивными формами обычных элементов в теле и могут быть использованы вместе с позитронной эмиссией для отслеживания таких функций тела, как, например, работа головного мозга. Базовый принцип состоит в том, что, когда ядро испускает позитрон, а последний аннигилируется вместе с ближайшим электроном, два гамма-луча могут выйти практически «спина к спине». Эту пару можно обнаружить с использованием электронной схемы, разработанной в физике частиц, что позволяет очень точно обнаруживать эмитирующее ядро.

А теперь о применении. Когда вы думаете, различные участки вашего головного мозга активны в разной степени. Если участок активен, то он использует энергию, которая подается в головной мозг, как химические сахара в кровоток. Если мы сможем измерить концентрацию сахара в головном мозге, то это будет свидетельством активности мозга. Химики могут соединить радиоактивные атомы с молекулами сахара, и эти сахара можно проглотить и распределить внутри тела в активные участки, например сердце, легкие, мышцы и мозг. Суть идеи, которая оказалась такой полезной для диагностирования в медицине, состоит в использовании сахаров, которые эмитируют позитроны. Позитроны сразу же аннигилируются вездесущими электронами в близлежащих атомах. Мы можем сказать, где в пространстве произошла аннигиляция, а следовательно, где локализован сахар, просто используя специальные камеры для определения вылетающих гамма-лучей.

Окружив голову пациента кольцом из камер, можно получить изображения головного мозга с различных участков. Данная техника известна как позитронно-эмиссионная томография, ПЭТ. Это активно развивающийся диагностический и исследовательский метод ядерной медицины. В его основе лежит возможность при помощи специального распознающего оборудования (ПЭТ-сканера) отслеживать распределение в организме биологически активных соединений, меченных излучающими позитроны радиоизотопами. Потенциал ПЭТ в значительной степени определяется арсеналом доступных меченых соединений – радиофармпрепаратов. Метод ПЭТ используется для изучения не только головного мозга, но и внутренних органов людей и животных. Подходящий радиофармпрепарат позволяет изучать с помощью ПЭТ такие разные процессы, как метаболизм, транспорт веществ, экспрессия генов и еще многое другое. Использование радиофармпрепаратов, относящихся к различным классам биологически активных соединений, делает ПЭТ достаточно универсальным инструментом современной медицины. Поэтому сейчас идет активная разработка новых радиофармпрепаратов и эффективных методов синтеза уже зарекомендовавших себя препаратов.

Определенные изотопы, которые представляют интерес для ученых и медиков, живут недолго (например, кислород-15, который используется для исследования кислородного метаболизма, живет всего две минуты). Поэтому их нужно готовить рядом с головой пациента. Их можно произвести, бомбардируя подходящие элементы протонами из маленького ускорителя.

Так что сегодня загадочное предсказание антиматерии Дираком используется для спасения жизней. Аннигиляция позитрона также используется для изучения материалов. Примером является аннигиляция в металлах, которая может выявить усталость металла гораздо быстрее, чем любая другая технология. Это используется для проверки турбинных лопаток в самолетах, в результате одновременно и лучше обеспечивается безопасность, и растет прибыль.

Ученые изучают химические свойства антиматерии, привязывая позитроны к обычным атомам. Электрон и протон формируют атомы водорода, поэтому электрон и позитрон могут формировать атом позитрония, который живет меньше одной миллионной доли секунды перед самоуничтожением. Молекулы позитрония уже были сформированы, идет обсуждение вопроса, могут ли плотные массы таких молекул сформировать основу лазера, работающего на гамма-лучах.

Так что античастицы в форме позитронов уже являются знакомыми и ежедневно используются. Они менее известны, чем электроны, просто потому, что их меньше, и поэтому их быстрее убивают. Как мы уже говорили выше, дневной свет – это конечный продукт позитронов, семена антиматерии, которые были произведены в солнечной печи сто тысяч лет назад, а свет для далекого будущего готовится позитронами, которые производятся прямо сейчас. Солнечный ядерный синтез эффективно превращает четыре протона в ядро гелия, плюс два позитрона и нейтрино. Позитроны аннигилируют для производства фотонов. Масса гелия меньше, чем сумма масс четырех протонов, а излишняя mc² – это энергия, которая также появляется на поверхности в виде видимого света. Примерно 10 % видимого света возникло как аннигиляция позитронов.