Lo ione negativo del positronio () è uno stato legato di un positrone () e due elettroni (). È il più semplice sistema di tre corpi composto esclusivamente da leptoni, dunque è di grande importanza per lo studio del problema dei tre corpi in meccanica quantistica. Inoltre, rappresenta il primo passo per la formazione di fasci di positronio, che sono di grande rilievo nello studio della fisica fondamentale.

Storia L'esistenza di uno stato legato di un positrone e due elettroni è stata ipotizzata per la prima volta nel 1946 da John Archibald Wheeler. Nel lavoro intitolato "Polyelectrons", Wheeler ipotizzò l'esistenza di stati legati di elettroni e positroni, come anche il dipositronio, osservato sperimentalmente per la prima volta nel 2007, e lo ione positronio positivo.

Da quel momento molte analisi teoriche sul sono state pubblicate, relativamente all'energia di legame, al tempo di vita e ad altre caratteristiche fisiche. Tuttavia, a causa della difficoltà nella produzione, nonché del brevissimo tempo di vita, la prima osservazione sperimentale del è stata ottenuta nel 1981 da Allen P. Mills.

Nel 2007 è stato ottenuto un ulteriore risultato di grande importanza con la prima produzione ad alta efficienza dello ione positronio negativo. Tale metodo innovativo per produrre il ha dimostrato di fornire un'efficienza di conversione da positroni a decisamente più alta rispetto al metodo iniziale usato da Mills. Livelli energetici e annichilazione

Lo ione positronio negativo è spesso descritto come un elettrone debolmente legato a un atomo di positronio (Ps). I valori di aspettazione per le distanze elettrone-positrone ed elettrone-elettrone sono rispettivamente Å e Å.

Poiché il è un sistema di tre corpi interagenti, la corrispondente equazione di Schrödinger non ha una soluzione analitica esatta. Inoltre, data la massa identica delle tre particelle, non è possibile applicare l'approssimazione di Born-Oppenheimer, al fine di risolvere il problema semplificato. Per questo motivo sono stati eseguiti numerosi calcoli tramite metodi numerici per la determinazione dell'energia dello stato fondamentale, che ha un valore di . Il segno meno indica che il è un sistema stabile se si considera la possibilità di dissociazione nei singoli costituenti. Tuttavia, tale ione rappresenta un sistema fortemente instabile a causa del processo di annichilazione, che coinvolge il positrone e uno dei due elettroni. Ciò avviene, in meccanica quantistica, quando le due funzioni d'onda, dell'elettrone e del positrone, si sovrappongono almeno parzialmente nello spazio. Il positrone può avere lo spin orientato sia in up sia in down, senza alcuna restrizione. Tuttavia, i due elettroni devono per forza avere spin opposti (stato di singoletto) per il principio di esclusione di Pauli. Dunque il processo di annichilazione tra il positrone e un elettrone può avvenire sia con spin opposti (come per il para-positronio), sia con spin paralleli (come per lortho-positronio). A causa delle diverse regole di selezione, il decadimento avviene in un numero dispari di raggi gamma (normalmente 3) nel caso di spin paralleli e in un numero pari (normalmente due) nel caso di spin antiparalleli. Il rate di decadimento del è stato misurato con precisione, risultando in un valore pari a . Il corrispondente tempo di vita è pari a .

Produzione Le prime produzioni di sono state ottenute tramite il metodo del beam-foil. Esso consiste nell'inviare un fascio di positroni contro un bersaglio, regolando l'energia del fascio in modo tale che una frazione di positroni sia sufficientemente energetica per attraversare l'intero spessore. Questi positroni hanno una piccola probabilità di fuoriuscire dall'altro lato del bersaglio legando due elettroni e dando vita al .

In seguito una nuova tecnica per produrre è stata sviluppata dal gruppo di Yasuyuki Nagashima. Tale metodo è basato sull'innalzamento della densità elettronica vicino alla superficie di un metallo, dove i positroni vengono emessi. Ciò può essere ottenuto tramite una nota procedura che consiste nel ricoprire la superficie del metallo con un sottile strato (inferiore a un singolo strato atomico) di metallo alcalino. Tale tecnica consente di ridurre notevolmente la funzione lavoro dell'elettrone. L'emissione di da una superficie è regolata dalla quantità

dove E sono rispettivamente le funzioni di lavoro del positrone e dell'elettrone. Se il valore di è negativo, allora l'emissione di avviene spontaneamente. Dunque, data la forte dipendenza dalla funzione lavoro elettronica, diminuendo quest'ultima è possibile aumentare l'efficienza di produzione di .

I positroni che penetrano nel campione subiscono vari processi di scattering anelastico, perdendo energia. La maggior parte annichila collidendo con gli elettroni di conduzione del metallo. Tuttavia, una parte termalizza nel campione e in seguito diffonde fino alla superficie. In tal caso, ioni possono essere prodotti ed emessi sotto le condizioni descritte sopra.

Il bersaglio è generalmente in tungsteno, per via del valore negativo di . Infatti è stata osservata anche l'emissione spontanea di da superfici di tungsteno. Inoltre per tale processo sono richieste condizioni di ultra-alto vuoto, per le quali il tungsteno presenta ottime caratteristiche in termini di assenza di degassamento. Per quanto riguarda lo strato superficiale, il sodio è il metallo alcalino che ha dimostrato le migliori proprietà.

Ricerca sperimentale La maggiore disponibilità di nei laboratori ha aperto la possibilità alla ricerca sperimentale su larga scala. Sono due i principali campi di ricerca, uno dedicato all'analisi delle proprietà fondamentali del mentre l'altro consiste nella produzione di fasci di positronio.

Produzione di fasci di positronio

La generazione di è un passo fondamentale per la produzione di fasci di positronio. Infatti esso ha carica elettrica nulla, dunque è particolarmente complicato da accelerare e focalizzare. Per questo motivo è necessario produrre ioni , generare un fascio e in seguito rimuovere un elettrone dal sistema tramite un processo chiamato photo-detachment. Tale tecnica sfrutta l'utilizzo di una cavità laser ad alta potenza. Il fascio di incrocia il fascio laser, il quale fornisce un'energia sufficiente per rimuovere un elettrone tramite assorbimento di un singolo fotone.

Il photo-detachment è stato effettuato utilizzando un laser con lunghezza d'onda pari a . Per massimizzare la probabilità di photo-detachment è necessario un flusso di fotoni molto intenso. Per questo motivo si utilizza un regime impulsato, che consente un'intensità luminosa molto più elevata rispetto al funzionamento a onda continua. Tuttavia, sono state eseguite simulazioni Monte Carlo, le quali dimostrano che è possibile ottenere il photo-detachment in modalità a onda continua.

I fasci di positronio possono essere utilizzati per diversi scopi. Alcuni di questi includono test sperimentali della simmetria CPT e del principio di equivalenza di Einstein (EEP) attraverso l'interferometria del positronio, nonché lo studio della gravità dell'antimateria .

Analisi quantistica dei sistemi a tre corpi Lo ione negativo positronio è il sistema più leggero finora conosciuto composto da tre particelle elementari. Inoltre, contiene sia materia che antimateria ed è composto esclusivamente da leptoni. Pertanto, i suoi costituenti, così come l'intero sistema, non possiedono alcuna carica di colore, dunque non possono interagire tramite la forza nucleare forte . Pertanto, a differenza dei sistemi atomici come lo ione negativo dell'idrogeno ( H^- ), il non è influenzato da questioni legate alla presenza di adroni. Queste caratteristiche rendono lo ione negativo positronio un sistema perfetto per lo studio dell'elettrodinamica quantistica (QED), consentendo confronti precisi tra previsioni teoriche e misurazioni sperimentali.

Data l'assenza di un nucleo centrale di massa elevata, il rappresenta un punto di riferimento unico per il problema dei tre corpi. Devono essere applicate tecniche computazionali sofisticate, come l'uso di funzioni d'onda di tipo Hylleraas, per calcolare con precisione l'energia dello stato fondamentale, comprese le sue correzioni energetiche relativistica e QED.

Note

Voci correlate Annichilazione Antimateria Dipositronio Positrone Positronio Modello standard Problema dei tre corpi

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