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Analizan comportamiento de las antipartículas en procesos de ionización

Kelly Tovar
13/jun/2017

Diferentes áreas de la Física Aplicada emplean la ionización atómica para proveer información diversa acerca de propiedades de los materiales. En particular en Física Médica, dentro de las diversas técnicas que existen, se emplea la ionización atómica producida mediante la interacción de antipartículas (positrones) y los tejidos pero ¿qué tan seguros están de cómo se comportan las partículas cuando interactúan con el paciente?

La ionización es el método por el cual se producen iones, los cuales son átomos (o moléculas) cargadas eléctricamente, debido al exceso o falta de electrones respecto a átomo (o molécula) neutro.

Existen diversos estudios sobre la ionización por impacto de electrones que se enfocan en describir las interacciones inelásticas y la cinemática involucrada en el proceso de colisión. Otros estudios analizan la ionización por impacto de positrones, sin embargo, no existe información acerca de las diferencias o similitudes de electrones y positrones en procesos de ionización.

Oscar Genaro de Lucio, investigador del Instituto de Física, en colaboración con Robert DuBois, del Departamento de Física de la Universidad de Missouri, en Estados Unidos, hicieron un estudio diferencial para comparar el comportamiento de los positrones y electrones en procesos de ionización atómica.

El artículo fue publicado en la revista Physical Review A el 25 de marzo de 2016, y es, de acuerdo con los autores, “el estudio más completo que existe actualmente y el primero en proporcionar información diferencial sobre la ionización múltiple por antipartículas”.

Para lograrlo, lo primero que hicieron fue ionizar átomos dentro de un chorro de gas por un haz de positrones para obtener una comparación detallada de la ionización molecular.

“Los primeros estudios de este tipo fueron en los años ochenta, pero sólo fue a un nivel; un grupo colaborativo entre Australia y Alemania hizo el estudio completo (a tres niveles) pero no presentaron resultados debido a diversas complicaciones”, escribieron los investigadores en el artículo. De Lucio y su colaborador no son los primeros en hacer un estudio completo pero sí son los primeros en mostrar resultados.

Oscar Genaro de Lucio en su seminario del 13 de junio en el IFUNAM. Foto: Kelly Tovar.

Este trabajo se centra en la medición diferencial en los rendimientos de ionización para el impacto de positrones y electrones, con tres criterios distintos:

La emisión del canal de electrones: encontraron que la emisión por impacto de electrones es mayor en interacciones binarias, de cuerpo a cuerpo, a diferencia de los positrones que producen más emisión en las interacciones con un tercer cuerpo (conocidas como interacciones Recoil).

La pérdida de energía en función del ángulo de dispersión: encontraron que la pérdida de energía es mayor para el impacto de positrones que para los electrones.

Información diferencial de la ionización molecular por positrones y electrones. Imagen: artículo en Physical Review.

Y por último, el grado de ionización a través del estado de carga de iones: descubrieron que, en el impacto por positrones, en interacciones Recoil, no cambian sus propiedades en la dirección de propagación, sin embargo, para interacciones binarias los positrones mostraron una mayor pérdida de energía en el impulso de transferencia. Para el impacto de electrones, se obtuvieron resultados similares, pero en interacciones binarias la pérdida de energía es más débil que en el impacto de positrones.

Pero ¿cuál es la novedad de este experimento? Hasta ahora se sabía a nivel teórico que los electrones y positrones se comportan de la misma manera en los procesos de ionización, sin embargo este estudio concluye que no es así.

“En realidad, existen pequeñas diferencias entre el comportamiento de ambas partículas, en algunas interacciones es más fácil ionizar por medio de positrones que por electrones”, aseguró el investigador.

Los innovadores resultados de Oscar de Lucio y su colega pueden abrir la posibilidad para crear modelos teóricos más sensibles que podrían contribuir a que haya ciertas aplicaciones en física médica, por ejemplo, en donde se tendría la certeza de cómo se va a comportar un positrón en interacción con un tejido o con cualquier otra materia.

Otra aplicación sería en el estudio de materiales con positrones, donde se toma en cuenta el canal de aniquilación, ya que un positrón se aniquilaría diferente en un material sin defectos que con uno con algún tipo de imperfección.

“Estamos desarrollando la técnica de análisis de materiales mediante el uso de haz de positrones en el acelerador Van de Graaff de 5.5 MV, esto ha sido gran parte la tesis de Miguel Pérez Flores, un alumno de la maestría en ciencia e ingeniera de materiales, durante los últimos años y va a ser una técnica complementaria a las que ya tenemos en el acelerador para analizar materiales, en este caso aportaría información que no aportan las otras técnicas que conocemos”, dijo el investigador a Noticias IFUNAM.

Se muestra la pérdida de energía del proyectil. Imagen: artículo en Physical Review.