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在正电子发射断层扫描（PET）中，湮灭光子极化信息难以获取。研究人员利用塑料闪烁体构建 PET 扫描仪，研究正电子 - 电子湮灭光子的极化相关性。结果显示，湮灭光子的纠缠程度与湮灭机制有关。这为 PET 成像提供了新的诊断指标。
在现代医学影像领域，正电子发射断层扫描（Positron Emission Tomography，PET）是一项重要的无创体内疾病诊断技术。它通过向人体注射带有发射正电子（
e+）放射性核素标记的生物分子示踪剂，利用正电子与组织中的电子（
e?）湮灭产生的两个 511 - keV 光子进行成像，从而帮助医生了解人体器官或组织的生理功能，评估代谢变化。然而，当前的 PET 系统存在一个局限，即无法获取湮灭光子的极化信息。但实际上，这些光子携带的极化信息，对于了解细胞分子组成和正电子 - 电子的湮灭机制至关重要。比如，正电子在体内可能直接与电子湮灭，也可能先形成正电子素（positronium）再发生湮灭，不同的湮灭方式可能会产生具有不同极化特性的光子。为了探究这些问题，来自国外的研究人员开展了一项极具创新性的研究，相关成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上。
研究人员使用的主要关键技术方法包括：一是构建了基于塑料闪烁体的 J-PET 扫描仪，该扫描仪能让湮灭光子主要通过 Compton 效应相互作用，从而获取光子的极化和传播方向信息；二是利用 GEANT4 模拟软件，对 J-PET 扫描仪的几何结构、材料组成以及e+e?湮灭过程进行模拟，以此来估计扫描仪的接受度和注册效率，同时模拟可分离和纠缠湮灭光子的 Δφ 分布。
研究结果
- J-PET 扫描仪特性：J-PET 扫描仪由塑料闪烁体条组成，与传统 PET 系统中使用的晶体不同，在塑料闪烁体中，511 - keV 的湮灭光子几乎只通过 Compton 散射相互作用（光电效应的比例仅为10?5）。并且，该扫描仪采用了无触发数据采集系统，能够同时检测到由湮灭和散射光子引起的四个相互作用，这是其能够研究湮灭光子量子纠缠的关键特性。
- 实验数据获取与分析：研究人员以多孔聚合物 XAD - 4 为研究对象，让正电子在其中湮灭。通过 J-PET 扫描仪，他们记录下湮灭光子和散射光子的信息，包括时间、位置和能量沉积等。经过一系列严格的事件选择和分类标准，最终确定了散射角度（θ1和 θ2）以及散射平面之间的相对角度（Δφ）。
- 纠缠程度分析：研究人员通过实验测定了不同散射角度下的 Δφ 分布，并将其与理论预测进行对比。结果发现，实验测得的纠缠见证参数R值小于最大纠缠光子的预测值，但大于可分离光子的预期值。例如，在 θ1 = θ2 = 82° 附近，实验测得Rexp约为 2.00 ± 0.03，而最大纠缠光子的理论值Rmax为 2.84，可分离光子的理论值Rsep为 1.63。
研究结论与讨论
这项研究首次展示了能够通过记录湮灭光子的 Compton 散射来确定其极化的全尺寸 PET 扫描仪。实验结果表明，正电子 - 电子在多孔聚合物中湮灭产生的光子之间的相关性大于可分离状态，但小于最大纠缠的两光子状态。研究人员推测，这种非最大纠缠可能归因于正电子素中的正电子与周围原子的电子湮灭时，混合态导致的部分或完全纠缠损失。特别是，他们假设来自拾取湮灭（pick-off annihilation）的光子不纠缠，而来自直接湮灭和仲正电子素（parapositronium，pPs）湮灭的光子是最大纠缠的。这一假设与实验数据相吻合，因为在 XAD - 4 材料中，拾取过程占 2γ 湮灭的 31%。
此外，该研究还指出，R值可能会随着组织类型的不同而变化，这为将R作为 PET 成像中的新诊断指标提供了可能。然而，目前的研究也存在一些局限性，例如缺乏使用相同探测器系统对不同材料的R值测量，以及不同湮灭机制之间的区分不够明确。未来，研究人员计划应用新的方法来减少统计需求，便于不同实验结果的比较。同时，通过同时记录湮灭光子和瞬发 γ 射线，有望进一步明确 Δφ 分布（以及R值）与湮灭机制之间的关系。
总体而言，这项研究不仅揭示了正电子 - 电子湮灭光子的非最大纠缠现象，还为 PET 成像技术的发展开辟了新的方向，为未来利用极化关联作为诊断指标提供了理论和实验基础，在生命科学和医学领域具有重要的潜在应用价值。
