Positron - yodenshi (English spelling) positron

The antiparticle of the electron. After the establishment of quantum mechanics by Schrödinger in Austria and Heisenberg in Germany, Dirac in England sought a relativistic wave equation that an electron with spin 1/2 should follow and discovered the so-called Dirac equation (1928). This equation was successful in correctly deriving the magnetic moment of an electron. However, it was also discovered that there is a solution for negative energy in this equation. If a solution for negative energy is allowed, the electron can emit light and transition to any low energy state, making the electron unstable. To avoid this difficulty, Dirac hypothesized that the vacuum is a state in which all negative energy states are filled by electrons. Since electrons follow Fermi-Dirac statistics, which state that no more than two electrons can be in the same state, this hypothesis means that electrons cannot transition to negative energy states and the vacuum is stable. If energy is applied from outside and the electrons in this vacuum's negative energy state transition to positive energy electrons, one electron and one missing negative energy state are obtained. Since a vacuum is a state filled with negative energy states, Dirac thought that this void was equivalent to the presence of a positively charged particle (positron) there. This is called the Dirac vacancy hypothesis. The above process is the pair creation of an electron and a positron, and in reverse, it is the annihilation of the pair. The positron predicted by Dirac was discovered in cosmic rays by American C. D. Anderson (1932).

In modern quantum field theory, the solutions for positive and negative energy are reinterpreted as operators that create electrons and annihilate positrons, respectively, and a consistent theory has been created without the unreasonable assumption that the vacuum is filled with an infinite number of electrons. It has also been deduced that the mass of the positron, which was ambiguous in Dirac's hole hypothesis, is equal to that of the electron. Today, as an application of the Dirac hole hypothesis, the hole hypothesis is effectively used in the theory of semiconductors and atomic nuclei by starting from a state in which a certain energy level or lower is filled with fermions, and considering excitations from that state and their dynamics. The use of positron emission tomography in medicine has also begun.

[Toshihide Maskawa]

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

電子の反粒子。オーストリアのシュレーディンガーとドイツのハイゼンベルクによる量子力学の建設後、イギリスのディラックは、スピン1/2の電子の従うべき相対論的波動方程式を探究していわゆるディラック方程式を発見した（1928）。この方程式は電子のもつ磁気モーメントを正しく導くなどの成功を収めた。しかしこの方程式には負のエネルギーの解が存在することも同時にわかった。負エネルギーの解を許すと、電子は光を放出していくらでも低いエネルギーの状態に遷移できるため、電子は不安定となる。この困難を回避するため、ディラックは、真空はすべての負エネルギー状態が電子により満たされている状態と考える仮説を設けた。電子は同一の状態に二つ以上入れないフェルミ‐ディラック統計に従うので、この仮説より電子は負エネルギー状態には遷移できなくなり安定となる。エネルギーを外から与えこの真空の負エネルギー状態の電子を正エネルギーの電子に遷移させれば、一つの電子と一つの負エネルギー状態の欠損が得られる。負エネルギー状態が満たされた状態が真空であるから、この欠損はそこに正の電荷をもった粒子（陽電子）が存在することに等しいとディラックは考えた。これをディラックの空孔仮説という。前記の過程は電子・陽電子の対(つい)生成、逆にたどれば対消滅となる。ディラックの予言した陽電子は、アメリカのC・D・アンダーソンにより宇宙線中に発見された（1932）。

　現在の場の量子論においては、正負エネルギーの解はそれぞれ電子をつくる演算子、陽電子を消す演算子と再解釈することにより、真空は無限個の電子で満たされているとの無理な仮定をせずに、矛盾のない理論がつくられている。そしてディラックの空孔仮説ではあいまいであった陽電子の質量も電子のそれに等しいことが導かれる。今日ディラックの空孔仮説の応用として、あるエネルギー準位以下がフェルミ粒子で満たされている状態から出発し、その状態からの励起やそれらの力学を考えることにより、半導体や原子核の理論で空孔仮説が有効に使われている。陽電子断層撮影の医学利用も始まっている。

［益川敏英］

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