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Annichilazione del Positrone

PositronDiscovery

Il positrone (detto anche antielettrone o positone) è l’antiparticella dell’elettrone. Ha carica elettrica +1, uguale e opposta all’elettrone, lo stesso spin 1/2 e la stessa massa.
I positroni furono scoperti nei raggi cosmici da Carl Anderson nel 1932 (fotografia riportata sopra). Furono Patrick Blackett e Giuseppe Occhialini a completare la scoperta l’anno successivo, confermando la previsione teorica dell’esistenza di un’antiparticella dell’elettrone, formulata da Paul Dirac.

Annichilazione del Positrone

Quando un positrone viene in contatto con un elettrone si ha un processo di annichilazione e la loro massa viene convertita in energia, nella maggior parte dei casi sotto forma di due fotoni ad altissima energia nella banda dei raggi gamma, secondo il seguente processo:

e+ + e → 2 fotoni γ (511keV)

Prima dell’annichilazione, il positrone e l’elettrone possono anche formare, in determinate condizioni, un atomo di tipo esotico, per sua natura instabile, chiamato positronio.

Sorgente di Positroni

Un positrone può essere generato dal decadimento radioattivo β o dall’interazione con la materia di fotoni con energia superiore a 1,022 MeV : questo ultimo processo viene chiamato produzione di coppia, in quanto genera sia un positrone che un elettrone. Nel nostro caso abbiamo utilizzato l’isotopo Na22 che decade β emettendo proprio un positrone.

Na22Source
1 uCi isotopo Na22 e relativo schema di decadimento

L’isotopo 22Na decade (nel 99.95% dei casi) con emivita di 2,6 anni, per emissione di positroni o cattura elettronica verso il primo stato eccitato del Ne22 a 1.274 MeV (il quale successivamente si rilassa per emissione di fotone gamma). I positroni emessi dalla sorgente si annichilano nel materiale che fa da supporto alla sorgente, producendo 2 fotoni gamma di energia 0.511 MeV ciascuno, secondo il processo :

e+ + e → 2 fotoni γ (511keV)

I due fotoni gamma a 0.511 MeV vengono emessi a 180 gradi l’uno dall’altro. Questo permette di effettuare misure di correlazione angolare e coincidenza.

spettrosodio
Spettro Gamma della Sorgente Sodio 22 (Na22)

Coincidenza della emissione gamma – gamma

I test sono stati fatti utilizzando due SiPM  gamma detector (Fotomoltiplicatori al silicio), le cui uscite logiche vengono inviate ad una logica di AND. In questo modo si ottiene un impulso in uscita soltanto quando i due detector producono un impulso allo stesso istante.

coincidence

Come sorgente è stata utilizzata una pastiglia di 1 uCi di Na22 che presenta una emissione Ƴ – Ƴ dovuta alla annichilazione del positrone emesso nel decadimento β. I due fotoni gamma di 511keV vengono emessi in direzioni diametralmente opposte a causa del principio di conservazione della quantità di moto.

setup
Setup dell’esperimento
setupPicture
Immagine del Setup sperimentale con i due detector SiPM, i collimatori e la sorgente di Na22

Nella tabella e nel grafico sotto sono mostrati i risultati delle misurazioni di eventi di coincidenza al variare dell’angolo di inclinazione dei due gamma detector. Le misure sono state fatte su di un tempo di integrazione di 200s.
Il valore di 0.5CPM è il valore di background che si misura “a vuoto” ed è dovuto ad eventi spuri ed a coincidenze casuali che si verificano nei detector, soprattutto a causa della radioattività residua presente nel cristallo LYSO usato come scintillatore nei gamma detector.

cpm

Come si può vedere il picco del conteggio si ottiene quando i due detector sono allineati. All’aumentare dell’angolo di inclinazione il rateo di conteggio si azzera rapidamente, a dimostrazione del fatto che i due fotoni gamma vengono emessi esattamente in direzioni diametralmente opposte.

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