Interaction of Low-Energy Positrons with Atoms and Molecules

低能正电子与原子和分子的相互作用

基本信息

  • 批准号:
    2010699
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 62.52万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2020-09-01 至 2023-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

General audience abstract:This research project focuses on science with positrons (the antiparticles of electrons). Positrons play an important role in basic science, including atomic, plasma and astrophysics, biology and medicine. They also have many technological applications such as new techniques for mass spectroscopy, the characterization of materials using positrons, and positron emission tomography (PET) to study metabolic processes and for drug design. While aspects of positron interactions with matter are well understood, there are many outstanding questions. When positrons and electrons collide, they can annihilate with the energy converted to gamma rays. Such processes are important facets in gaining an understanding of the physics and chemistry of the interaction of matter and antimatter. This research group has shown that positrons bind to many molecules (lifetimes before annihilation less than one hundred millionth of a second). The positron binding studies the group will be doing are relevant to positron surface states on materials and the fate of positrons in PET. In terms of scientific education and training, the research will actively involve students and young researchers at all levels, from the planning of experiments to the dissemination of research results. The project involves small-scale experiments that are an excellent training ground for scientific and technical personnel. The work will be communicated broadly, not only to physics audiences but also to those involved in plasma, chemical, and materials science, and gaseous electronics research. Antimatter in the laboratory is an important new frontier of science. It is regarded with considerable fascination by lay audiences; and as such, it aids in helping broader segments of society to appreciate basic research in the physical sciences.Technical audience abstract:In previous research, the group showed that positrons bind to molecules. Two important intellectual challenges related to this phenomenon, and the modes of annihilation that result from it, are to develop methods to treat electron-positron correlations and to better understand the role of molecular dynamics in positron annihilation processes when a positron is in the proximity of neutral matter. The research being conducted under this award speaks to both of these issues. One focus of the project is gaining a better understanding of positron binding to molecules, the magnitudes of these binding energies, and what they depend upon. A second objective is gaining a better understanding of mechanisms for positron annihilation in molecules, which proceeds by a resonant process in which annihilation rates can be orders of magnitude greater than expected on the basis of simple collisions. While it is appreciated that molecular vibrations play an important role in this enhancement, the details are not understood. The experiments will be conducted with a state-of-the-art, tunable, high-energy-resolution positron beam that was developed recently by the research team and is now coming to full capability. The excellent energy resolution of this new beam is expected to play an important role in making detailed annihilation spectral measurements as a function of incident positron energy. This can provide much more precise measurements of positron binding energies and key insights into the critical role molecular dynamics plays in producing greatly enhanced annihilation rates.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
普通观众摘要:该研究项目重点关注正电子(电子的反粒子)科学。正电子在基础科学中发挥着重要作用,包括原子、等离子体和天体物理学、生物学和医学。它们还有许多技术应用,例如质谱新技术、使用正电子表征材料以及用于研究代谢过程和药物设计的正电子发射断层扫描 (PET)。虽然正电子与物质相互作用的各个方面已得到很好的理解,但仍有许多悬而未决的问题。当正电子和电子碰撞时,它们会湮灭,能量转化为伽马射线。这些过程是理解物质和反物质相互作用的物理和化学的重要方面。该研究小组表明,正电子与许多分子结合(湮灭前的寿命不到亿分之一秒)。该小组将进行的正电子结合研究与材料上的正电子表面态以及 PET 中正电子的命运相关。 在科学教育和培训方面,该研究将积极让各级学生和年轻研究人员参与,从实验的规划到研究成果的传播。该项目涉及小规模实验,是培养科技人员的良好平台。 这项工作将被广泛传播,不仅向物理学读者,而且还向那些参与等离子体、化学和材料科学以及气体电子学研究的人们传播。实验室中的反物质是一个重要的科学新领域。 外行观众对它非常着迷。因此,它有助于帮助社会更广泛的群体欣赏物理科学的基础研究。技术受众摘要:在之前的研究中,该小组表明正电子与分子结合。与这种现象以及由此产生的湮灭模式相关的两个重要的智力挑战是开发处理电子-正电子相关性的方法,并更好地理解当正电子接近中性物质时分子动力学在正电子湮灭过程中的作用。该奖项正在进行的研究涉及这两个问题。该项目的重点之一是更好地了解正电子与分子的结合、这些结合能的大小以及它们所依赖的因素。第二个目标是更好地了解分子中正电子湮灭的机制,该机制是通过共振过程进行的,其中湮没率可能比基于简单碰撞的预期大几个数量级。虽然人们认识到分子振动在这种增强中发挥着重要作用,但细节尚不清楚。 这些实验将使用最先进的、可调谐的、高能量分辨率的正电子束进行,该正电子束由研究团队最近开发,现已完全具备能力。这种新光束出色的能量分辨率预计将在作为入射正电子能量函数的详细湮灭光谱测量中发挥重要作用。这可以提供更精确的正电子结合能测量,以及对分子动力学在极大提高湮灭率中所起的关键作用的关键见解。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(6)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Positron binding to alkane molecules
正电子与烷烃分子结合
  • DOI:
    10.1103/physreva.108.032801
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.9
  • 作者:
    Danielson, J. R.;Ghosh, S.;Arthur-Baidoo, E.;Witteman, D. R.;Surko, C. M.
  • 通讯作者:
    Surko, C. M.
Enhanced Resonant Positron Annihilation due to Nonfundamental Modes in Molecules
由于分子中的非基本模​​式而增强的共振正电子湮灭
  • DOI:
    10.1103/physrevlett.125.173401
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    8.6
  • 作者:
    Ghosh, S.;Danielson, J. R.;Surko, C. M.
  • 通讯作者:
    Surko, C. M.
Influence of geometry on positron binding to molecules
几何形状对正电子与分子结合的影响
  • DOI:
    10.1088/1361-6455/ac3e78
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Danielson, J R;Ghosh, S;Surko, C M
  • 通讯作者:
    Surko, C M
Resonant Annihilation and Positron Bound States in Benzene
苯中的共振湮灭和正电子束缚态
  • DOI:
    10.1103/physrevlett.129.123401
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    8.6
  • 作者:
    Ghosh, S.;Danielson, J. R.;Surko, C. M.
  • 通讯作者:
    Surko, C. M.
Enhancement of positron binding energy in molecules containing π bonds
含有α键的分子中正电子结合能的增强
  • DOI:
    10.1103/physreva.106.032811
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.9
  • 作者:
    Danielson, J. R.;Ghosh, S.;Surko, C. M.
  • 通讯作者:
    Surko, C. M.
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    2009
  • 资助金额:
    $ 62.52万
  • 项目类别:
    Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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  • 批准号:
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  • 财政年份:
    2008
  • 资助金额:
    $ 62.52万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
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知道了