بوزترونيوم

هو ثابت بلانك

• هو ثابت الإلكترون (ويسمى كذلك بسماحية الفراغ الحر) وأخيرا
• هو الكتلة المخفضة
• فالكتلة المخفضة في تلك الحالة هو

مستويات الطاقة

ومن جهة أخرى، بينما تستعمل معادلة بيث-سالبتر لحساب لمستويات الطاقة للبوزترونيوم بدقة، فإن التشابه بين بوزترونيوم والهيدروجين يسمح لهذا التقدير تقريبي. ومع هذا التقارب إلا إن مستويات الطاقة تختلف بينهما بسبب وجود قيمة مختلفة للكتلة m*، المستعملة في معادلة الطاقة

أنظر مستويات طاقة الإلكترون للاستنتاج.

هو مقدار شحنة الإلكترون (كما هو في البوزترون)

مراقبة جزيئات ثنائي البوزترونيوم

وفي هذا الصدد، أول ملاحظة لجزيء ثنائي البوزترونيوم - وهي جزيئات تحتوي على ذرتي بوزترونيوم - كانت بتاريخ 12 سبتمبر 2007 عن طريق ديفيد كاسيدي وألان ميلز في جامعة كاليفورنيا شاطئ النهر.

الحالات

في هذا الإطار، أما الحالة الثلاثية وبلف متوازي (S = 1، Ms = -1، 0، 1) فيعرف ببوزيترونيوم مستقيم (o-Ps) ورمزه 3S1. ومتوسط عمره في الفراغ . والنمط الرئيسي للتحلل هو ثلاث كمات غاما. أما الأنمطة الأخرى للتحلل فهي غير ذات أهمية؛ مثال على ذلك، نمط الفوتونات الخمس لها نسبة تفرع ~.

إضافةً إلى ذلك، تتشابه الحالة الدنيا للبوزترونيوم مع الهيدروجين، حيث لها تشكيلين ممكنين يعتمدان على توجهات اللف النسبية لكل من الإلكترون والبوزيترون.

متوسط عمر البوزيترونيوم المستقيم (S = 1) هو:

كذلك، تعرف الحالة المفردة مع لف Antiparallel (S = 0، Ms = 0) باسم بوزترونيوم متعاكس (p-Ps) ويرمز . لديه عمر أساسي يقدر ب 125 بيكوثانية، ويضمحل تفضيليا إلى كمتين غاما مع طاقة 511 إلكترون فولت لكل منهما (في هيكل مركز الزخم). الكشف عن هذه الفوتونات يسمح لاعادة بناء قمة التحلل ويستعمل في تصوير مقطعي بالإصدار البوزيتروني. ويمكن للبوزترونيوم المتعاكس ان يتحلل لأي عدد من الفوتونات (2، 4، 6...)، وتقل الاحتمالية كلما زاد العدد: للتحلل إلى 4 فوتونات هو .

وفي هذا الصدد، يكون البوزيترونيوم شبه مستقر في حالة 2S ومتوسط عمره . فإن تم تخليقه من حالة مستثارة فإنها تنخفض بسرعة إلى الحالة الدنيا حيث يحصل الإفناء بسرعة أكبر. وقد استعملت لقياس متوسط الأعمار ومستويات طاقة البوزيترونيوم.

علاوةً على ذلك، ويمكن التحلل إلى زوج من النيترينو وضديده، ولكن احتمال هذا التوقع ضئيلة جدا. فنسبة التفرع لتحلل o-Ps لتلك القناة هي (لزوج إلكترون نيترينو ومضاد النيترينو) و (لغير نكهات الإلكترون) حسب تنبؤات تعتمد على أساس النموذج القياسي ولكن ويمكن زيادتها حسب خصائص النيترينو غير القياسية، مثل الكتلة أو العزم المغناطيسي المرتفع نسبيا. حدود التجريبية العليا على نسبة التفرع لهذا التحلل (فضلا عن الانحلال إلى أي من الجزيئات "غير مرئية") هي: (p-Ps) و (o-Ps).

من جهة ثانية، ويمكن حدوث الإفناء عبر عدة قنوات، كل منها تنتج واحد أو أكثر من أشعة غاما. ويحتاج لإنتاج أشعة غاما طاقة اجمالية قدرها (لأن كل جسيم يفنى له كتلة )، والأكثر احتمالا لقنوات الإفناء أن تنتج فوتونين أو ثلاث، اعتمادا على تشكيل اللف النسبي للإلكترون والبوزترون. وتحلل فوتون مفرد غير ممكن إلا إذا كان هناك جسم آخر (مثل الإلكترون) مجاورا لإبادة البوزترونيوم بحيث يمكن نقل بعض الطاقة الناتجة من عملية الإفناء. وقد تم ملاحظة ما يصل إلى خمسة من أشعة غاما افنين في التجارب المختبرية، مؤكدا التوقعات ان كهروديناميكا كمية ذات مستوى رفيع جدا.

متوسط عمر بوزترونيوم المتعاكس (S = 0):

الظهور الطبيعي

من جانب آخر، تنبأ بالبوزترونيوم في حالات الطاقة العالية ان يكون الشكل السائد للمادة في الكون في المستقبل البعيد، غن كان تحلل البروتون حقيقيا.

حيث

ومن ناحية أخرى، أدنى مستوى لطاقة البوزترونيوم (n == 1) هو −6.8 eV، ومستوى الطاقة التالي (n == 2) فهو −1.7 eV. وتدل إشارة السالب على الحالة المقيدة. نلاحظ كذلك أن معادلة ديراك للجسمين تتكون من كل من مؤثر ديراك لكل نقطتين من الجسيمات المتفاعلة عن طريق تفاعل كولوم يمكن فصلها تماما في اطار مركز الزخم (النسبي) وقيمة ناتج الحالة الدنيا الذاتية تم الحصول عليها بدقة شديدة باستخدام طريقة العناصر المنتهية.

وأخيرا فإن مستويات طاقة البوزترونيوم تكون:

كذلك، وهكذا فإن البوزترونيوم هو كتلة مخفضة يختلف عن كتلة الإلكترون الساكنة بمعامل 2. وهذا يسبب في أن تكون مستويات الطاقة قريبة من نصف ما هو في ذرة الهيدروجين.

ومن ناحية أخرى، و هما كتلتا الإلكترون والبوزيترون على التوالي، وهما نفس الشيء بحكم تعريف الجسيمات والجسيمات المضادة.

النبوءة والاكتشاف

وفي هذا السياق، تنبأ العالم الكرواتي ستيفان موهوروفيتشيك بوجود البوزترونيوم في مقاله في مجلة Astronomische Nachrichten في سة 1934 حيث أطلق على تلك المادة اسم الكتروم . ولكن مصادر أخرى نسبت الفضل إلى العالم كارل أندرسون بالتنبؤ في وجوده سنة 1932 في كالتيك. ولكن الاكتشاف المختبري كان على يد مارتن دويتش في معهد إم آي تي سنة 1951، واطلق عليه اسم بوزترونيوم.