Позитронное излучение

Содержание
  1. Протонная терапия: новый уровень эффективности лучевого лечения опухолей
  2. Протоны и фотоны: в чем отличие?
  3. Протонная терапия в современном понимании
  4. Облучение протонами – рекомендовано в 100% случаев опухолей у детей
  5. Протонная терапия – не панацея, а важная часть сочетанного лечения
  6. Мировые стандарты по “российской” цене
  7. Виды радиоактивных излучений
  8. Что такое радиация
  9. Альфа излучение
  10. Нейтронное излучение
  11. Бета излучение
  12. Гамма излучение
  13. Рентгеновское излучение
  14. Сравнительная таблица с характеристиками различных видов радиации
  15. : Виды радиации
  16. 7 Альфа и бета распад – ф9 т4 Строение атома и атомного ядра
  17. Альфа-распад
  18. Бета-распад
  19. Есть ли вообще проблема с космическими позитронами? • Новости науки
  20. Античастицы в космических лучах
  21. Как разобраться с происхождением позитронов?
  22. Данные последних лет
  23. Продолжающийся спор астрофизиков
  24. Итог
  25. Физические концепции в фильме «Довод» — Научное сообщество на DTF на DTF
  26. Античастицы
  27. CPT-инвариантность
  28. Одноэлектронная Вселенная
  29. Энтропия

Протонная терапия: новый уровень эффективности лучевого лечения опухолей

Позитронное излучение

Воздействие ионизирующего облучения на опухоли с целью их разрушения применяется в медицине давно.

Но широкое проникновение новых технологий в клиническую практику, активизировавшееся в последние 10-15 лет, требует обновить сложившийся в обществе “портрет” возможностей современной лучевой терапии.

Поэтому сегодня рассказываем о наиболее эффективной технологии лучевого лечения рака, доступной, в том числе, и в России, – в Центре протонной терапии МИБС. Итак, протонная терапия.

Так выглядит одна из двух лечебных комнат Центра протонной терапии МИБС в Санкт-Петербурге

Несмотря на развитие других высокоточных методов лучевого лечения, в первую очередь, радиохирургии на Гамма-ноже, КиберНоже и современных линейных ускорителях (TrueBeam STx), с помощью которых специалисты Онкологической клиники МИБС вывели показатели эффективности лечения рака на мировой уровень, протонная терапия открывает еще больше возможностей.

Основное преимущество протонной терапии состоит в особых физических свойствах элементарных частиц протонов, которыми облучается опухоль. Остальные методы лучевого лечения используют фотоны и носят обобщенное название “фотонная лучевая терапия” (реже, когда требуется лечение поверхностных опухолей, могут применяться электроны).

Протоны и фотоны: в чем отличие?

Фотоны, излучаемые линейным ускорителем или радиоактивными изотопами (например, кобальт-60, используемый в Гамма-ноже), “пронизывают” организм насквозь, передавая тканям человеческого тела, расположенным на своем пути, часть своей высокой энергии.

В местах пересечений пучков или полей фотонного излучения происходит повышение (сложение) доз. Управляя траекторией подачи пучков (полей), врачи формируют зоны высокой дозы, губительные для опухолей, совпадающие по форме с новообразованием.

Здоровые ткани на участках своей траектории (от входа в тело до опухоли, и от опухоли до выхода из тела) получают от каждого отдельного пучка практически ту же дозу радиации, что и новообразование.

Поэтому важно иметь возможность подавать порции излучения с различных положений, чтобы распределять лучевую нагрузку между большим количеством здоровых тканей, не допуская пересечения лучей вне объема опухоли.

Но как быть, если за опухолью расположены критические органы или другие здоровые ткани, облучение которых недопустимо? Например, стенка мочевого пузыря, сердечная мышца, ствол головного мозга или мышцы, окружающие простату и обеспечивающие контроль за мочеиспусканием и половой функцией?

Современные методы фотонной терапии дают частичный ответ на этот вопрос, составляя сложнейшие алгоритмы расчета траекторий и дробления количества полей/пучков для защиты здоровых тканей и критических структур. Но только облучение протонами выводит проблему защищенности от облучения тканей, находящихся за опухолью, на качественно более высокий уровень.

Феномен, отличающий протоны от других элементарных частиц, – передача максимальной энергии на коротком участке своего пробега (так называемый “пик Брэгга”). До момента пика Брэгга, на участке от входа в тело до опухоли, протон передает небольшую энергию, а на участке после пика энергия падает до нуля.

Такое распределение доз дает возможность лечить даже опухоли, расположенные на поверхности органов, полностью защищая их от облучения. Точный расчет позволяет определить крайнюю точку, после которой энергия пучка протонов будет иметь околонулевое значение и подать радиацию до глубины заднего края опухоли.

Здоровым тканям в таком случае “достается” небольшая доза облучения (от точки входа до начала пика Брэгга).

Протонная терапия в современном понимании

Но и в самих технологиях протонной терапии уже имеются лидеры.

В отличии от научно-исследовательских установок начальной конструкции с фиксированным пучком протонов, экспериментально лечивших небольшие опухоли, или их чуть более поздних модификаций, в которых пациент буквально “нанизывался” на постоянный пучок протонов, будучи расположенным на подвижном “столе”, современные центры протонной терапии оснащены установками позволяющими модулировать энергию пучков протонов, регулируя глубину подведения максимальной дозы и управлять их траекторией с помощью поворотного гентри. Неподвижность пациента резко повышает точность подведения облучения.

Именно таким оборудованием оснащен Центр протонной терапии МИБС в Санкт-Петербурге, являющийся не исследовательским центром, а первым в России полноценным клиническим учреждением, реализующим современные международные протоколы лечения протонами на оборудовании признанного в мире производителя, Varian ProBeam.

Управляя энергией протонов врач задает глубину, на которой будет располагаться пик Брэгга каждого из пучков.

Поэтому современные установки протонной терапии позволяют реализовать методику “сканирования карандашным пучком”, когда опухоль буквально заштриховывается послойно высокой дозой ионизирующего излучения.

При этом сохраняется высочайшая точность подведения – пациент неподвижно лежит на специальной кушетке, а гентри вращается вокруг него, направляя излучение по практически любой траектории. Именно так выглядит лечение в Центре протонной терапии МИБС.

Облучение протонами – рекомендовано в 100% случаев опухолей у детей

Точность современной протонной терапии позволила преодолеть еще одну важную проблему лучевого лечения – риск вторичных опухолей, развивающихся у пациентов через 15-20 лет после лечения в получивших облучение малыми дозами здоровых тканях вокруг опухоли. Это особенно актуально в педиатрической онкологии.

Кроме того, воздействие на здоровые ткани детского организма даже небольшими дозами радиации часто приводит к нарушению роста костной и мышечной ткани, к снижению интеллекта и когнитивных способностей при облучении головного мозга и т.д.

Поэтому протонная терапия является предпочтительной в 100% случаев опухолей у детей.

Протонная терапия – не панацея, а важная часть сочетанного лечения

Сама протонная терапия – высокоточный инструмент лучевой терапии, эффективно и безопасно решающий поставленные задачи. Но современная клиническая практика доказала, что залогом эффективности лечения опухолей является комплексный подход, включающий использование различных методов.

Сочетание экспертной диагностики, малоинвазивной хирургии, лучевого лечения (частным случаем которого и является протонно-лучевая терапия), лекарственного лечения (химиотерапия, таргетное лечение, иммунотерапия) – все эти возможности, доступные пациентам Центра протонной терапии МИБС, позволяют эффективно противостоять опухолям любой локализации и стадии.

Мировые стандарты по “российской” цене

Единственным фактором, ограничивающим широкое применение протонной терапии в клинической практике России, является высокая стоимость лечения, обусловленная сложностью оборудования, его высокой стоимостью и операционными затратами на получение пучков протонов в огромном ускорителе элементарных частиц. Тем не менее, в сравнении с лечением на аналогичных установках в иностранных клиниках, протонная терапия в МИБС имеет наименьшую в мире стоимость при жестком соблюдении самых строгих протоколов лечения.

Остались вопросы? Звоните в Центр протонной терапии МИБС или оставьте заявку на обратный звонок прямо на этой странице!

Источник: https://radiosurgery.ldc.ru/stati/protonnaya-terapiya-novyj-uroven-effektivnosti-luchevogo-lecheniya-opuholej

Виды радиоактивных излучений

Позитронное излучение

Навигация по статье:

Радиация и виды радиоактивных излучений, состав радиоактивного (ионизирующего) излучения и его основные характеристики. Действие радиации на вещество.

Что такое радиация

Для начала дадим определение, что такое радиация:

В процессе распада вещества или его синтеза происходит выброс элементов атома (протонов, нейтронов, электронов, фотонов), иначе можно сказать происходит излучение этих элементов.

Подобное излучение называют – ионизирующее излучение или что чаще встречается радиоактивное излучение, или еще проще радиация.

К ионизирующим излучениям относится так же рентгеновское и гамма излучение.

Радиация – это процесс излучения веществом заряженных элементарных частиц, в виде электронов, протонов, нейтронов, атомов гелия или фотонов и мюонов. От того, какой элемент излучается, зависит вид радиации.

Ионизация – это процесс образования положительно или отрицательно заряженных ионов или свободных электронов из нейтрально заряженных атомов или молекул.

Радиоактивное (ионизирующее) излучение можно разделить на несколько типов, в зависимости от вида элементов из которого оно состоит. Разные виды излучения вызваны различными микрочастицами и поэтому обладают разным энергетическим воздействие на вещество, разной способностью проникать сквозь него и как следствие различным биологическим действием радиации.

Виды радиации

Альфа, бета и нейтронное излучение – это излучения, состоящие из различных частиц атомов.

Гамма и рентгеновское излучение – это излучение энергии.

Альфа излучение

  • излучаются: два протона и два нейтрона
  • проникающая способность: низкая
  • облучение от источника: до 10 см
  • скорость излучения: 20 000 км/с
  • ионизация: 30 000 пар ионов на 1 см пробега
  • биологическое действие радиации: высокое

Альфа (α) излучение возникает при распаде нестабильных изотопов элементов.

Альфа излучение – это излучение тяжелых, положительно заряженных альфа частиц, которыми являются ядра атомов гелия (два нейтрона и два протона). Альфа частицы излучаются при распаде более сложных ядер, например, при распаде атомов урана, радия, тория.

Альфа частицы обладают большой массой и излучаются с относительно невысокой скоростью в среднем 20 тыс. км/с, что примерно в 15 раз меньше скорости света.

Поскольку альфа частицы очень тяжелые, то при контакте с веществом, частицы сталкиваются с молекулами этого вещества, начинают с ними взаимодействовать, теряя свою энергию и поэтому проникающая способность данных частиц не велика и их способен задержать даже простой лист бумаги.

Однако альфа частицы несут в себе большую энергию и при взаимодействии с веществом вызывают его значительную ионизацию. А в клетках живого организма, помимо ионизации, альфа излучение разрушает ткани, приводя к различным повреждениям живых клеток.

Из всех видов радиационного излучения, альфа излучение обладает наименьшей проникающей способностью, но последствия облучения живых тканей данным видом радиации наиболее тяжелые и значительные по сравнению с другими видами излучения.

Облучение радиацией в виде альфа излучения может произойти при попадании радиоактивных элементов внутрь организма, например, с воздухом, водой или пищей, а также через порезы или ранения.

Попадая в организм, данные радиоактивные элементы разносятся током крови по организму, накапливаются в тканях и органах, оказывая на них мощное энергетическое воздействие.

Поскольку некоторые виды радиоактивных изотопов, излучающих альфа радиацию, имеют продолжительный срок жизни, то попадая внутрь организма, они способны вызвать в клетках серьезные изменения и привести к перерождению тканей и мутациям.

Радиоактивные изотопы фактически не выводятся с организма самостоятельно, поэтому попадая внутрь организма, они будут облучать ткани изнутри на протяжении многих лет, пока не приведут к серьезным изменениям. Организм человека не способен нейтрализовать, переработать, усвоить или утилизировать, большинство радиоактивных изотопов, попавших внутрь организма.

Нейтронное излучение

  • излучаются: нейтроны
  • проникающая способность: высокая
  • облучение от источника: километры
  • скорость излучения: 40 000 км/с
  • ионизация: от 3000 до 5000 пар ионов на 1 см пробега
  • биологическое действие радиации: высокое

Нейтронное излучение – это техногенное излучение, возникающие в различных ядерных реакторах и при атомных взрывах. Также нейтронная радиация излучается звездами, в которых идут активные термоядерные реакции.

Не обладая зарядом, нейтронное излучение сталкиваясь с веществом, слабо взаимодействует с элементами атомов на атомном уровне, поэтому обладает высокой проникающей способностью. Остановить нейтронное излучение можно с помощью материалов с высоким содержанием водорода, например, емкостью с водой. Так же нейтронное излучение плохо проникает через полиэтилен.

Нейтронное излучение при прохождении через биологические ткани, причиняет клеткам серьезный ущерб, так как обладает значительной массой и более высокой скоростью чем альфа излучение.

Бета излучение

  • излучаются: электроны или позитроны
  • проникающая способность: средняя
  • облучение от источника: до 20 м
  • скорость излучения: 300 000 км/с
  • ионизация: от 40 до 150 пар ионов на 1 см пробега
  • биологическое действие радиации: среднее

Бета (β) излучение возникает при превращении одного элемента в другой, при этом процессы происходят в самом ядре атома вещества с изменением свойств протонов и нейтронов.

При бета излучении, происходит превращение нейтрона в протон или протона в нейтрон, при этом превращении происходит излучение электрона или позитрона (античастица электрона), в зависимости от вида превращения. Скорость излучаемых элементов приближается к скорости света и примерно равна 300 000 км/с. Излучаемые при этом элементы называются бета частицы.

Имея изначально высокую скорость излучения и малые размеры излучаемых элементов, бета излучение обладает более высокой проникающей способностью чем альфа излучение, но обладает в сотни раз меньшей способность ионизировать вещество по сравнению с альфа излучением.

Бета радиация с легкостью проникает сквозь одежду и частично сквозь живые ткани, но при прохождении через более плотные структуры вещества, например, через металл, начинает с ним более интенсивно взаимодействовать и теряет большую часть своей энергии передавая ее элементам вещества. Металлический лист в несколько миллиметров может полностью остановить бета излучение.

Если альфа радиация представляет опасность только при непосредственном контакте с радиоактивным изотопом, то бета излучение в зависимости от его интенсивности, уже может нанести существенный вред живому организму на расстоянии несколько десятков метров от источника радиации.

Если радиоактивный изотоп, излучающий бета излучение попадает внутрь живого организма, он накапливается в тканях и органах, оказывая на них энергетическое воздействие, приводя к изменениям в структуре тканей и со временем вызывая существенные повреждения.

Некоторые радиоактивные изотопы с бета излучением имеют длительный период распада, то есть попадая в организм, они будут облучать его годами, пока не приведут к перерождению тканей и как следствие к раку.

Гамма излучение

  • излучаются: энергия в виде фотонов
  • проникающая способность: высокая
  • облучение от источника: до сотен метров
  • скорость излучения: 300 000 км/с
  • ионизация: от 3 до 5 пар ионов на 1 см пробега
  • биологическое действие радиации: низкое

Гамма (γ) излучение – это энергетическое электромагнитное излучение в виде фотонов.

Гамма радиация сопровождает процесс распада атомов вещества и проявляется в виде излучаемой электромагнитной энергии в виде фотонов, высвобождающихся при изменении энергетического состояния ядра атома. Гамма лучи излучаются ядром со скоростью света.

Когда происходит радиоактивный распад атома, то из одних веществ образовываются другие. Атом вновь образованных веществ находятся в энергетически нестабильном (возбужденном) состоянии. Воздействую друг на друга, нейтроны и протоны в ядре приходят к состоянию, когда силы взаимодействия уравновешиваются, а излишки энергии выбрасываются атомом в виде гамма излучения

Гамма излучение обладает высокой проникающей способностью и с легкостью проникает сквозь одежду, живые ткани, немного сложнее через плотные структуры вещества типа металла.

Чтобы остановить гамма излучение потребуется значительная толщина стали или бетона.

Но при этом гамма излучение в сто раз слабее оказывает действие на вещество чем бета излучение и десятки тысяч раз слабее чем альфа излучение.

Основная опасность гамма излучения – это его способность преодолевать значительные расстояния и оказывать воздействие на живые организмы за несколько сотен метров от источника гамма излучения.

Рентгеновское излучение

  • излучаются: энергия в виде фотонов
  • проникающая способность:высокая
  • облучение от источника: до сотен метров
  • скорость излучения: 300 000 км/с
  • ионизация: от 3 до 5 пар ионов на 1 см пробега
  • биологическое действие радиации: низкое

Рентгеновское излучение – это энергетическое электромагнитное излучение в виде фотонов, возникающие при переходе электрона внутри атома с одной орбиты на другую.

Рентгеновское излучение сходно по действию с гамма излучением, но обладает меньшей проникающей способностью, потому что имеет большую длину волны.

Рассмотрев различные виды радиоактивного излучения, видно, что понятие радиация включает в себя совершенно различные виды излучения, которые оказывают разное воздействие на вещество и живые ткани, от прямой бомбардировки элементарными частицами (альфа, бета и нейтронное излучение) до энергетического воздействия в виде гамма и рентгеновского излечения.

Каждое из рассмотренных излучений опасно!

Сравнительная таблица с характеристиками различных видов радиации

характеристикаВид радиации
Альфа излучениеНейтронное излучениеБета излучениеГамма излучениеРентгеновское излучение
излучаютсядва протона и два нейтронанейтроныэлектроны или позитроныэнергия в виде фотоновэнергия в виде фотонов
проникающая способностьнизкаявысокаясредняявысокаявысокая
облучение от источникадо 10 смкилометрыдо 20 мсотни метровсотни метров
скорость излучения20 000 км/с40 000 км/с300 000 км/с300 000 км/с300 000 км/с
ионизация, пар на 1 см пробега30 000от 3000 до 5000от 40 до 150от 3 до 5от 3 до 5
биологическое действие радиациивысокоевысокоесреднеенизкоенизкое

Как видно из таблицы, в зависимости от вида радиации, излучение при одной и той же интенсивности, например в 0.1 Рентген, будет оказать разное разрушающее действие на клетки живого организма. Для учета этого различия, был введен коэффициент k, отражающий степень воздействия радиоактивного излучения на живые объекты.

Коэффициент k
Вид излучения и диапазон энергийВесовой множитель
Фотоны всех энергий (гамма излучение)1
Электроны и мюоны всех энергий (бета излучение)1
Нейтроны с энергией < 10 КэВ (нейтронное излучение)5
Нейтроны от 10 до 100 КэВ (нейтронное излучение)10
Нейтроны от 100 КэВ до 2 МэВ (нейтронное излучение)20
Нейтроны от 2 МэВ до 20 МэВ (нейтронное излучение)10
Нейтроны > 20 МэВ (нейтронное излучение)5
Протоны с энергий > 2 МэВ (кроме протонов отдачи)5
Альфа-частицы, осколки деления и другие тяжелые ядра (альфа излучение)20

Чем выше “коэффициент k” тем опаснее действие определенного вида радиции для тканей живого организма.

: Виды радиации

Источник: https://doza.pro/art/types_of_radiation

7 Альфа и бета распад – ф9 т4 Строение атома и атомного ядра

Позитронное излучение

 Ядра большинства атомов – это довольно устойчивые образования.

Однако ядра атомов радиоактивных веществ в процессе радиоактивного распада самопроизвольно превращаются в ядра атомов других веществ. Так в 1903 году Резерфорд обнаружил, что помещенный в сосуд радий через некоторое время превратился в радон. А в сосуде дополнительно появился гелий. 

Альфа-распад

При альфа-распаде излучается α-частица (ядро

атома гелия). Из вещества с количеством протонов Z и нейтронов N в атомном ядре оно превращается в вещество с количеством протонов Z-2 и количеством нейтронов N-2, атомной массой А-4. То есть происходит смещение образовавшегося элемента на две клетки назад в периодической системе.

Альфа-распад – это внутриядерный процесс. В составе тяжелого ядра за счет сложной картины сочетания ядерных и электростатических сил образуется самостоятельная α-частица, которая выталкивается кулоновскими силами гораздо активнее остальных нуклонов.

При определенных условиях она может преодолеть силы ядерного взаимодействия и вылететь из ядра.

Бета-распад

При бета-распаде излучается электрон (β-частица). В результате распада одного нейтрона на протон, электрон и антинейтрино, состав ядра увеличивается на один протон, а электрон и антинейтрино излучаются вовне. Соответственно, образовавшийся элемент смещается в периодической системе на одну клетку вперед.

Пример β-распада:

Бета-распад – это внутринуклонный процесс. Превращение претерпевает нейтрон. Существует также бета-плюс-распад или позитронный бета-распад. При позитронном распаде ядро испускает позитрон и нейтрино, а элемент смещается при этом на одну клетку назад по периодической таблице.

Позитронный бета-распад обычно сопровождается электронным захватом.

 Гамма-распад – это излучение гамма-квантов ядрами в возбужденном состоянии, при котором они обладают большой по сравнению с невозбужденным состоянием энергией.

В возбужденное состояние ядра могут приходить при ядерных реакциях либо при радиоактивных

распадах других ядер. Большинство возбужденных состояний ядер имеют очень непродолжительное время жизни – менее наносекунды.

Существуют распады с эмиссией нейтрона, протона, кластерная радиоактивность и некоторые другие, очень редкие виды распадов. Но превалирующие виды радиоактивности это альфа, бета и гамма распад.

Таблица распадов

Тип радиоактивностиИзменение заряда ядра ZИзменение массового числа АХарактер процесса
α-распадZ – 2A – 4       Вылет α-частицы – системы двух протонов и двух нейтронов, соединенных воедино
β-распадZ ± 1А       Взаимные превращения в ядре нейтрона ( ) и протона ( )
β–-распадZ + 1А
β+-распадZ – 1А
Электронный захват (е–-или К-захват)Z – 1Аи – электронное нейтрино и антинейтрино
Спонтанное делениеZ – (1/2)AA– (1/2)A       Деление ядра обычно на два осколка, имеющих приблизительно равные массы и заряды

История изучения радиоактивного излучения.
Э. Резерфорд обнаружил две составляющие этого излучения: менее проникающую, названную α-излучением, и более проникающую, названную излучением. Третья составляющая урановой радиации, самая проникающая из всех, была открыта позже, в 1900 году, Полем Виллардом и названа по аналогии с резерфордовским рядом γ-излучением. Резерфорд и его сотрудники показали, что радиоактивность связана с распадом атомов (значительно позже стало ясно, что речь идет о распаде атомных ядер), сопровождающимся выбросом из них определенного типа излучений. Этот вывод нанес сокрушительный удар по господствовавшей в физике и химии концепции неделимости атомов.
    В последующих исследованиях Резерфорда было показано, что α-излучение представляет собой поток α-частиц, которые являются не чем иным, как ядрами изотопа гелия 4Не, а β-излучение состоит из электронов и γ-излучение является потоком высокочастотных электромагнитных квантов, испускаемых атомными ядрами при переходе из возбужденных в более низколежащие состояния.
     β-распада ядер. Теория этого явления была создана лишь в 1933 году Энрико Ферми, который использовал гипотезу Вольфганга Паули о рождении в β-распаде нейтральной частицы, имеющей близкую к нулю массу покоя и названной нейтрино . Ферми обнаружил, что β-распад обусловлен новым типом взаимодействия частиц в природе – “слабым” взаимодействием и связан с процессами превращения в родительском ядре нейтрона в протон с испусканием электрона е- и антинейтрино (β–распад), протона в нейтрон с испусканием позитрона е+ и нейтрино ν (β+-распад), а также с захватом протоном атомного электрона и испусканием нейтрино ν (электронный захват).
    Четвертый вид радиоактивности, открытый в России в 1940 году молодыми физиками Г.Н. Флеровым и К.А. Петржаком, связан со спонтанным делением ядер, в процессе которого некоторые достаточно тяжелые ядра распадаются на два осколка с примерно равными массами.     Но и деление не исчерпало всех видов радиоактивных превращений атомных ядер. Начиная с 50-х годов физики методично приближались к открытию протонной радиоактивности ядер. Для того чтобы ядро, находящееся в основном состоянии, могло самопроизвольно испускать протон, необходимо, чтобы энергия отделения протона от ядра была положительной. Но таких ядер в земных условиях не существует, и их необходимо было создать искусственно. К получению таких ядер были очень близки российские физики в Дубне, но протонную радиоактивность открыли в 1982 году немецкие физики в Дармштадте, использовавшие самый мощный в мире ускоритель многозарядных ионов.   Наконец, в 1984 году независимые группы ученых в Англии и России открыли кластерную радиоактивность некоторых тяжелых ядер, самопроизвольно испускающих кластеры – атомные ядра с атомным весом от 14 до 34.

Источник: https://www.sites.google.com/site/f9t4stroenieatomaiatomnogoadra/7-alfa-i-beta-raspad

Есть ли вообще проблема с космическими позитронами? • Новости науки

Позитронное излучение

Одна из горячих тем в астрофизике в последние годы связана с загадкой космических позитронов. Однако не все астрофизики согласны с тем, что эта загадка действительно существует.

В новом исследовании утверждается, что все «загадочные» данные можно объяснить самыми обычными астрофизическими процессами, не привлекая ни темной материи, ни излишне активных пульсаров.

Этот подход, впрочем, тоже критикуется, поэтому ситуация «загадочными» данными остается подвешенной.

Античастицы в космических лучах

Сто лет назад ученые с удивлением обнаружили, что на Землю откуда-то из космоса постоянно «льется» поток космических лучей — заряженных частиц самой разной энергии. (Для первого знакомства подойдет краткий рассказ «Спринтеры глубокого космоса»; более серьезный обзор дан в статье В. Л.

 Гинзбурга «Астрофизика космических лучей (история и общий обзор)», УФН, февраль, 1996.) Раз космические лучи идут из космоса, от каких-то астрофизических объектов (ведь кто-то их ускоряет до больших энергий!), они должны нести информацию о происходящих там процессах.

Поэтому внимательное изучение характеристик космических лучей должно рассказать астрофизикам нечто новое об устройстве Вселенной, что-то такое, что не увидишь в обычные телескопы.

В основном, космические лучи состоят из «обычных» для глубокого космоса частиц: протонов, альфа-частиц и электронов. Но иногда в них встречается и что-то необычное, например частицы антиматерии — антипротоны и позитроны. Откуда они могут взяться, если вся Вселенная состоит из вещества, а не антивещества? Тут есть три основных возможности (рис. 1).

Во-первых, античастицы, в особенности позитроны, могут рождаться вблизи какого-то астрофизического объекта, который работает космическим ускорителем электронов, например пульсара.

Тогда он может подхватить и разогнать до больших энергий не только электроны, но и позитроны.

Такие позитроны считаются полноправным компонентом первичных космических лучей, однако их происхождение по-прежнему остается астрофизическим.

Даже если античастиц не было в первичных космических лучах, они возникнут при их столкновении с межзвездным веществом. Такие частицы называются вторичными, поскольку они возникают как побочный продукт распространения первичных космических лучей в галактике. Это самый стандартный, «наискучнейший» источник позитронов и антипротонов в космосе.

Наконец, еще есть очень интересный вариант, когда античастицы возникают при распаде или аннигиляции частиц темной материи. Несмотря на все усилия физиков, темная материя остается загадочной субстанцией, составленной из частиц неизвестной природы.

Но раз такая возможность допустима, это только усиливает интерес к античастицам в космических лучах.

Ведь если окажется, что античастиц там слишком много или они имеют какую-то необычную зависимость от энергии, это само по себе уже будет серьезной заявкой на регистрацию частиц темной материи.

Как разобраться с происхождением позитронов?

В последние годы огромный интерес физиков вызвали именно позитроны в космических лучах: их оказалось слишком много. Поэтому дальше речь пойдет только о них. С антипротонами ситуация пока находится в норме.

Что требуется сделать астрофизикам, чтобы разобраться с происхождением космических позитронов? Прежде всего, надо измерить их поток, то есть найти, сколько позитронов на квадратный метр падает на Землю. До недавнего времени спутниковые детекторы могли измерить лишь суммарный поток электронов и позитронов, но не разделить его на две части.

Несколько лет назад ситуация изменилась, и теперь детекторы PAMELA, AMS02 и, отчасти, Fermi-LAT умеют измерять долю позитронов. Требуется также измерить, как доля позитронов изменяется с энергией — ведь они возникают не совсем в одинаковых условиях. Есть и другие характеристики, которые тоже можно изучать, но мы не будем на них останавливаться.

Кроме непосредственных наблюдений астрофизикам требуется понять, что должно происходить с позитронной долей, если предположить, что позитроны рождаются за счет каждого из изображенных на рис. 1 механизмов. И вот это, оказывается, очень трудная задача.

Во-первых, характеристики электронов и позитронов меняются по мере распространения в галактике. Электроны и позитроны остывают — теряют энергию за счет синхротронного излучения в магнитном поле.

Они также сталкиваются с межзвездным веществом или с фотонами. Они могут вообще на время вылететь из диска галактики, а потом вернуться в него в другом месте.

Все такие процессы желательно принимать во внимание.

Во-вторых, плохо известны некоторые характеристики самой галактики, а тем более межгалактической среды. Мы видим звезды, мы видим газопылевые облака, но мы не можем напрямую увидеть, скажем, распределение магнитного поля в галактике.

Оно требует численного моделирования, которое и само по себе очень сложно, и вдобавок опирается на некоторые предположения. Моделирование показывает, что магнитное поле в галактике вовсе не однородное и даже не плавно меняющееся, а очень беспорядочное, сильно турбулентное (см. рис. 2).

Электроны и позитроны отклоняются этим беспорядочным полем, как бы наматываются на его силовые линии, и поэтому их траектории получаются столь же беспорядочными.

Конечно, теоретики пытаются строить упрощенные модели и как-то промоделировать распространение, остывание и изменение энергетической зависимости электронов и позитронов, но над всеми этими расчетами довлеет постоянная неопределенность.

Все ли явления учтены? Все ли предположения оправданны? Все ли выводы устойчивы относительно изменения параметров моделирования? Это приводит к тому, что при сравнении наблюдательных данных с теорией приходится искать какие-то очень надежные, «железобетонные» выводы и не обращать большого внимания на мелкие особенности, меняющиеся от модели к модели.

Данные последних лет

Одной из таких надежных характеристик считалась (или считается, см. обсуждение ниже) энергетическая зависимости позитронной доли. Если предположить, что все позитроны вторичные (луч 2 на рис.

 1), то по теоретическим расчетам для энергий выше 1 ГэВ эта доля должна быть небольшой (серая полоса на рис. 3). Кроме того, она должна быстро уменьшаться с ростом энергии.

Однако данные, полученные на трех спутниковых детекторах, которые способны разделять электроны и позитроны, показывают нечто совершенно противоположное (цветные точки на рис. 3).

Вплоть до 10 ГэВ всё было в порядке, но дальше падение сменилось ростом, и в области 100–300 ГэВ доля позитронов составляет 10–20%, а вовсе не 2–3%, как предсказывали модели. Более подробное описание см. в новости Первые результаты эксперимента AMS-02 интересны, но сенсаций не принесли, «Элементы», 04.04.2013.

Складывалось ощущение, что в космических лучах имеется аномальный избыток позитронов именно высоких энергий, что и получило название «загадка космических позитронов». Эти данные очень воодушевили многих физиков, которые принялись объяснять их частицами темной материи (луч–3 на рис. 1) массой в сотни ГэВ — а это для современных теорий элементарных частиц очень удобный диапазон масс.

Продолжающийся спор астрофизиков

Однако торопиться с таким однозначным выводом о непрямой регистрации частиц темной материи не стоит. Еще в 2009 году многие астрофизики отмечали, что избыток позитронов в данных PAMELA можно списать и на первичные позитроны (луч 1 на рис.

 1), идущие от какого-нибудь не слишком далекого пульсара. Конечно, одними словами ограничиваться нельзя, нужно доказать, что близкие пульсары смогут производить столько позитронов, но по-видимому, это им под силу.

Но с чем большинство астрофизиков были согласны, так это с тем, что на одни лишь вторичные позитроны эти данные списать не получится.

Однако не все этот вывод разделяли. Еще в 2010 году коллектив авторов опубликовал подробный анализ, который показал, что даже самый «наискучнейший» механизм рождения позитронов тоже может объяснить данные PAMELA.

Сейчас, после обнародования данных AMS-02, та же группа повторила расчеты и продолжает утверждать, что всё вполне сходится с гипотезой об исключительно вторичных позитронах.

Таким образом, не только нет необходимости привлекать темную материю, но, по мнению этой группы ученых, не существует и позитронной загадки самой по себе. Их статья с расчетами и аргументацией была недавно принята к публикации в журнале Physical Review Letters.

Центральная идея этого объяснения заключается еще в одном предположении, которое авторам кажется достаточно надежным. Возьмем какой-нибудь другой сорт космических лучей, которые точно являются вторичными — это, например, ядра бора.

В отличие от водорода и гелия, бора во Вселенной очень мало, поэтому борная составляющая космических лучей должна быть вторичной. Эту составляющую можно измерить, такие данные есть и у AMS-02. Это значит, что по ней можно сразу оценить интенсивность вторичных процессов, даже не зная никаких подробностей.

А раз так, что можно отсюда оценить и количество произведенных на свет вторичных позитронов.

Полученные авторами оценки доли позитронов отличаются от общепринятых. Это и не удивительно: сравнивая друг с другом электроны и позитроны, авторы, по сути, используют для них совершенно разные данные. Этот подход резко упрощает вычисления, но тут всё равно есть сложности.

Во-первых, он опирается на предположение, что темп производства вторичных позитронов и вторичных ядер бора пропорциональны друг другу, что, вообще-то, неочевидно. Во-вторых, нужно принимать во внимание, что дальше позитроны теряют энергию, а ядра почти нет, а это потребует детального вычисления.

Однако авторы работы решили и здесь «срезать углы»: вместо того чтобы предсказывать реальную долю позитронов, они пренебрегли этим процессом и тем самым получили верхнюю границу для этой доли (рис. 4).

Иными словами, они предъявили некоторую кривую и говорят, что реальные данные не могут идти выше этой кривой, но какое-то необычное поведение ниже нее в принципе не запрещено.

Данные AMS-02 действительно не противоречат этому ограничению. Измеренная доля хоть и растет, но пока что идет ниже полученного ограничения.

Одновременно с этим, как подчеркивают авторы, все остальные вторичные космические лучи (например, антипротоны) остаются в норме.

Кроме того, дополнительную поддержку для своего вывода авторы работы видят в том, что данные AMS-02 при самых высоких энергиях уже вроде как перестают расти (последние три точки на рис. 4). Впрочем, это, конечно, очень косвенные намеки.

Что же по этому поводу говорят другие астрофизики? Эти работы, включая новую, были кратко проанализированы в недавнем обзорном докладе; там утверждается, что использованные предположения не являются обоснованными, а также что предложенный механизм должен был бы привести к некоторым расхождениям с данными. Однако в последней версии своей статьи авторы отвечают и на эту критику, приводя дополнительные аргументы в пользу реалистичности предлагаемого ими объяснения. Тем не менее количество предположений и косвенности использования данных слегка настораживает. Кроме того, установление верхней границы — это всегда более слабый результат, чем предсказание непосредственно зависимости. Но хорошо, по крайней мере, что новый подход ведет к определенным предсказаниям как про сами космические лучи, так и про свойства межзвездной среды. Эти предсказания можно будет проверить экспериментально.

Итог

Новые оценки доли позитронов отличаются от общепринятых, потому что авторы новой работы используют совершенно разные данные для расчета электронов и позитронов.

Такой подход упрощает работу, но одновременно содержит и новые подводные камни.

Многие астрофизики с полученными выводами не согласны, но, к сожалению, прямо сейчас нет возможности надежно убедиться в (не)адекватности этого подхода. Ситуация пока остается подвешенной.

И новые, и общепринятые вычисления неизбежно опираются на предположения и косвенные оценки, — как и вообще почти всё в астрофизике.

Спорить лишь о том, какие предположения лучше, не очень продуктивно; помочь тут могут только новые наблюдательные данные.

Поэтому самый аккуратный ответ на вопрос, вынесенный в заголовок, будет на сегодняшний день таков: «по-видимому, да, однако окончательной ясности пока нет — новый подход должен выдержать проверку на адекватность».

Источник: K. Blum, B. Katz, E. Waxman. AMS-02 Results Support the Secondary Origin of Cosmic Ray Positrons // Phys. Rev. Lett. 2013. V. 111. P. 211101.

См. также:
1) I. V. Moskalenko. Cosmic Rays in the Milky Way and Beyond // е-принт arXiv:1308.5482 [astro-ph.GA].
2) Первые результаты эксперимента AMS-02 интересны, но сенсаций не принесли, «Элементы», 04.04.2013.

Игорь Иванов

Источник: https://elementy.ru/novosti_nauki/432134/Est_li_voobshche_problema_s_kosmicheskimi_pozitronami

Физические концепции в фильме «Довод» — Научное сообщество на DTF на DTF

Позитронное излучение

Разбираемся, что из показанного в фильме соответствует действительности. Осторожно, спойлеры!

Многие из тех, кто посмотрел недавно вышедший фильм Кристофера Нолана «Довод», жалуются на сложность в понимании связи между событиями фильма.

Причина этого в том, что восприятие причинно-следственных связей, содержащих инверсию времени, очень и очень контринтуитивно, поскольку никогда не встречается в реальной жизни.

Вместе с тем, в мире квантовом обращение во времени – это рутинное явление, которое, однако, не имеет последствий для макромира. Нолан же, создал фантазию, в которой эти последствия не только есть, но и проявляют себя драматическим образом.

В данном материале я попытаюсь рассказать о том, что именно в фильме согласуется с современными представлениями о мире, а что нет.

Мы затронем довольно глубокие концепции фундаментальной физики, и станет понятно, зачем нужно было привлекать к съёмкам именитого физика Кипа Торна, который ранее уже помогал Нолану делать «Интерстеллар».

Полученные знания помогут увидеть дополнительные грани фильма и некоторые новые метафоры.

Текст содержит спойлеры и рекомендуется к прочтению только тем, кто уже смотрел «Довод».

Античастицы

Первое, что нужно знать про инверсию времени в квантовой физике, это идея античастиц. В первой половине XX века физики обнаружили, что у некоторых, уже открытых частиц, существуют частицы-антиподы, которые обладают противоположным зарядом, но той же массой и спином. Впоследствии античастицы были найдены у всех известных частиц, кроме небольшого перечня истинно нейтральных частиц.

Античастицы могут собираться в антиматерию, которая, однако, хрупка и пока не может существовать вне лаборатории.

Причина этого в том, что встреча частицы и античастицы, например, электрона и позитрона, с большой долей вероятности закончится аннигиляцией с образованием двух квантов гамма-излучения.

Этот процесс обратим: два таких фотона могут родить пару частица-античастица. Именно аннигиляция виновата в том, что антиматерия такая нестабильная.

Вместе с тем, аннигиляция – это именно та причина, по которой инвертированным людям в фильме «Довод» нельзя соприкасаться со своими «прямыми» копиями. Это означает, что Турникеты (инверсионные машины) заменяют материю антиматерией.

И здесь кроется первая неточность: античастицы могут аннигилировать с любыми частицами такого же сорта, поскольку того требует принцип тождественности элементарных частиц в физике.

Это означает, что позитроны, антипротоны и антинейтроны, из которых состоят атомы инвертированного вещества, должны моментально аннигилировать при выходе из Турникета с частицами из воздуха и асфальта, не дожидаясь встречи со своими неинвертированными копиями.

CPT-инвариантность

Так при чём же здесь время? Дело в том, что в квантовой теории поля существует понятие CPT-инвариантности (от англ.

C – charge, P – parity T – time), которое может быть выражено в понимании античастиц, как частиц с инвертированным зарядом и чётностью, двигающихся назад во времени.

Несмотря на такую фантастичность формулировки, движение назад во времени не является чем-то экстраординарным для физики элементарных частиц.

В обычной жизни нам сложно представить, чтобы осколки вазы сами собрались в единое целое, потому что она состоит из колоссального числа атомов, которые находятся друг с другом в бесчисленном количестве взаимодействий.

В квантовом мире же каждая частица участвует в последовательности единичных и достаточно простых актов взаимодействия с малым количеством других частиц. При этом длина этих последовательностей, как правило, не очень большая при описании какого-то конкретного физического процесса.

Это означает, что представить, чтобы время было повернуто вспять в такой системе, не представляется трудным.

Чтобы нагляднее работать с такими процессами, их представляют с помощью специальных диаграмм Фейнмана. При их построении учитывают направление времени, и если частицы движутся вдоль него, то это обычные частицы, если против – это античастицы.

Упорядоченная во времени диаграмма Фейнмана, описывающая аннигиляцию позитрона e+ и электрона e-. Время течёт вправо.

На рисунке выше показана одна из таких диаграмм, которая описывает процесс аннигиляции электрона и позитрона. Время при этом направлено слева направо.

Замечательной особенностью фейнмановских диаграмм является то, что при изменении направления времени те же самые диаграммы будут описывать иные, но вполне реализуемые процессы.

Например, диаграмма ниже получена из предыдущей путём переворота всей картинки на 180° при неизменности оси времени. Она описывает уже упоминавшийся процесс рождения электрон-позитронной пары.

Диаграмма, описывающая рождения электрон-позитронной пары, полученная разворотом предыдущей диаграммы.

Вообще, современные физические теории должны быть построены таким образом, чтобы они работали не только при инвертировании времени, но и при замене временной оси на одну из пространственных (по сути, повороте диаграммы на любой угол). Такое требование носит название лоренц-ковариантности.

Впрочем, возможность инверсии направления протекания ещё не означает эквивалентность этих направлений. Да, мы можем развернуть частицы назад, но это совершенно не означает, что взаимодействовать они будут с той же интенсивностью.

Иными словами, если вероятность, что квантовая ваза разобьётся, велика, это ещё не значит, что так же велика будет вероятность собраться её осколкам, даже если осколки прилетели в нужное место и время.

Это свойство одно из самых фундаментальных в квантовой механике.

Одноэлектронная Вселенная

Идея Уиллера и Фейнмана о том, что позитрон – это электрон, бегущий назад во времени, а также то, что всё многообразие процессов с участием электронов и позитронов может быть описано как очень-очень сложная структура, которая, подобно конструктору, собрана из элементарных диаграмм, подобных описанным выше, привела к созданию Теории одноэлектронной Вселенной. Она заключается в том, что, если мы нарисуем диаграммы всех-всех процессов во Вселенной, будущих и прошлых, на одной картинке, то электрон-позитронная линия, по идее, не должна прерываться и пройти нитью через каждый из этих процессов. На рисунке ниже показан упрощенный пример такой линии (замкнутой).

Простейшая одноэлектронная вселенная.  https://ru.wikipedia.org/

На картинке выше приведена иллюстрация к идее одноэлектронной вселенной (без отображения фотонных линий). Вправо отложено время, вверх – пространство.

Когда стрелка линии сонаправлена со временем, мы имеем дело с электроном, когда противонаправлена – с позитроном. На рисунке б) этот график разбит на плоскости, соответствующие определенным моментам времени.

В какие-то из них во Вселенной по два электрона и позитрона (синий и красный цвет соответственно), в какие-то – по одному, в какие-то – ничего.

Это довольно изящная идея, которая, однако, разбивается о несколько экспериментальных фактов. В частности, то, что электроны и позитроны участвуют в таких процессах слабого взаимодействия, при котором эта линия рвётся, а также то, что во Вселенной позитронов существенно меньше, чем электронов. Тем не менее, эта концепция была озвучена в фильме Нилом при разговоре с Протагонистом.

Со своей стороны я полагаю, что одноэлектронная Вселенная – это метафора которой наделяется Протагонист и сама организация «Довод», которую он создаст. Двигаясь во времени вперёд и назад подобно электрон-позитрону, они формируют ткань событий, точечно действуя в пространстве-времени.

При этом эта самая ткань событий демонстрируется нам в уже законченном виде. Мы можем возвыситься над ней точно так же, как если бы это была карта местности, и увидеть все причинно-следственные связи, в том числе и те, которые формируются временными петлями, и знать, что они более не изменятся.

В этом смысле Вселенная одного электрона Уиллера-Фейнмана является ключом к разгадке Парадокса дедушки, про который говорилось в фильме неоднократно.

Это решение заключается в отсутствие парадокса как такового, поскольку события считаются уже произошедшими и уложенными в цепь причинности сквозь все временные точки.

Кстати, сцена в самом начале, где нанятый протагонистом Нил спасает того от смерти – это не что иное, как инвертированная ситуация из Парадокса дедушки. Вполне в духе всего фильма.

Энтропия

Теперь поговорим об энтропии. В фильме несколько раз упоминается «инвертированная энтропия» как свойство макрообъектов двигаться во времени.

Понятие энтропии раскрывает всю свою мощь, когда мы говорим об очень большом числе частиц.

В этом случае мы выделяем два уровня их описания: макроскопический, когда мы говорим о параметрах, которые характеризуют все частицы в целом, (например, энергия, температура и т.д.

), и микроскопический, когда мы говорим о параметрах каждой частицы (например, координаты, импульсы и т.д.). Очевидно, описание через свойства всех частиц будет содержать гигантское количество информации и является неподъемно сложным, а зачастую и невозможным.

При этом какое либо значение макропараметра может быть получено различным числом сочетаний микропараметров. Энтропию часто определяют именно через это число, а точнее, через его логарифм. При этом действует второе начало термодинамики, которое, фактически, предписывает энтропии в изолированной системе расти (не убывать) со временем.

Этот закон является эмпирическим, то есть полученным из опыта, при этом он касается больших ансамблей частиц.

Это правило, которое помогает понять, почему большинство событий в макромире необратимы, а также предсказать направление хода этих событий во времени.

Однако это же играет злую шутку, потому что создаёт ощущение, что энтропия и направление времени, если не тождественны, то связаны друг с другом.

На самом деле направление времени в физике определяется совершенно иначе, а именно через причинные связи. Иными словами, если событие А вызвало событие Б, то мы говорим, что событие А было раньше, чем Б. Это продолжает работать даже в специальной теории относительности, где понятие одновременности перестаёт быть точным.

Рост энтропии же – это просто закон больших систем, который, впрочем, имеет локальные отклонения, просто, чем система больше, тем отклонения меньше. Но даже в этом случае, инверсия времени не гарантирует вам уменьшения энтропии.

В самом деле: представьте, что мы инвертировали осколки, которые только что были вазой. Они полетят обратно, сложатся в вазу, но, пробыв таким образом какой-то миг, скорее всего разлетятся снова. Всё потому, что при разбивании вазы мы разрываем межатомные связи, которые описываются уже квантовыми законами.

А взаимодействия в квантовом мире, как я уже писал выше, симметрией инверсии времени обладают далеко не всегда. Это значит, что вероятность, что ваза сама склеится так же, как была исчезающе мала.

Мы можем трактовать тот короткий миг в качестве локального отклонения, но на длинной дистанции даже для инвертированных её частей энтропия будет расти.

На самом деле, это именно то, что сегодня наблюдают физики, которые занимаются антивеществом в лаборатории: оно ведёт себя абсолютно так же, как и обычные атомы, и никаких аномалий, связанных с инверсией во времени замечено не было.

Подводя некоторый итог, мне хотелось бы отметить, что идея инверсия времени, описанная Ноланом в «Доводе», черпает вдохновение из довольно специфических разделов фундаментальной физики.

Мне кажется, что многие из тех, кто, как и автор этого текста, когда-то изучал в университете концепцию инверсии времени у античастиц, фантазировали на тему того, как бы это могло проявить себя на макромасштабе.

И то, что Нолан заручился поддержкой Кипа Торна и смог реализовать эту студенческую мечту перед массовым зрителем, вызывает искреннее желание сказать ему «спасибо», даже несмотря на то, что при скрупулёзном анализе она не выдерживает никакой критики.

Впрочем, а какая выдерживает?

Источник: https://dtf.ru/science/208796-fizicheskie-koncepcii-v-filme-dovod

Вылечим любую болезнь
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: