Landemærker: Den første antipartikel

Lawrence Berkeley National Laboratory

Lawrence Berkeley National Laboratory

APS har lagt hele Physical Review-arkivet online, helt tilbage til 1893. Focus Landmarks indeholder vigtige artikler fra arkivet.

Den positive elektrons, eller positrons, opdagelse i 1932 var det perfekte eksempel på et slående eksperimentelt fund, der fulgte tæt på en bemærkelsesværdig teoretisk forudsigelse – bortset fra, at eksperimentatoren ikke kendte teorien og stødte på den nye partikel ved et tilfælde. Men kort efter at han havde offentliggjort sine resultater i Physical Review, fik han kendskab til forudsigelsen fra andre inden for området. Opdagelsen af positronen, der kom i kølvandet på identifikationen af neutronen samme år, markerede begyndelsen på en årtier lang æra, hvor observationer af nye subatomare partikler kom tæt og hurtigt.

I 1930 begyndte Carl Anderson fra California Institute of Technology i Pasadena at studere kosmisk stråling, højenergipartikler af dengang ukendt sammensætning, som man havde opdaget regnede ned på Jorden. Han brugte et skykammer, hvor partikelsporene fremstår som strenge af små dråber i en overmættet damp. Når kammeret sættes i et magnetfelt, kurveres hver partikels bane i overensstemmelse med partikelens ladning og energi. Anderson registrerede adskillige spor, som enten kunne være produceret af negativt ladede partikler, der gik den ene vej, eller positivt ladede partikler, der gik den anden vej.

For at skelne mellem disse to muligheder placerede Anderson en 6 millimeter tyk blyplade på tværs af midten af sit skykammer. Enhver partikel, der passerede gennem pladen, ville miste energi, hvilket fik dens bane til at kurve skarpere på den anden side og afsløre dens bevægelsesretning. På i alt 1300 fotografier fra skykammeret fandt Anderson 15 spor, der svarede til positivt ladede partikler. Men de kunne ikke være protoner, indså han, fordi protoner med den rette energi til at frembringe den observerede sporbøjning ville blive langsommere ved kollisioner efter få millimeter, mens de spor, han så, var centimeter lange.

Anderson annoncerede kort i Science sin opdagelse af “let afbøjelige positive partikler” og fulgte op med en hel artikel i Physical Review, der nøje analyserede balancen mellem partiklernes masse og hastighed og deres energitab langs sporene. Anderson hævdede, at partiklerne bar en positiv ladningsenhed og havde en masse på højst 20 gange elektronens masse. Han sprang til den konklusion, at disse partikler sandsynligvis var positive elektroner, eller “positroner”, efter forslag fra tidsskriftets redaktør, og foreslog, at de blev skudt ud fra atomkerner i nærheden af atomer ved nedslag af kosmiske stråler.

Anderson vidste, at Paul Dirac fra Cambridge University havde udarbejdet en relativistisk kvantemekanisk ligning for elektronen. Men han vidste tilsyneladende ikke, at Dirac i 1931 havde brugt sin teori til at forudsige eksistensen af en partikel, der var identisk med elektronen, bortset fra at den havde den modsatte ladning. Da Patrick Blackett og Giuseppe Occhialini, også fra Cambridge, fik kendskab til Anderson’s opdagelse, foretog de to forskere, Patrick Blackett og Giuseppe Occhialini, også fra Cambridge, eksperimenter i skykammeret, hvor de så samtidig produktion af positive og negative elektronpar i kollisioner med kosmiske stråler. De annoncerede deres resultater som direkte bevis for Diracs forudsagte antipartikel, en konklusion, som Anderson hurtigt tilsluttede sig.

Historiker Helge Kragh fra Aarhus Universitet i Danmark foreslår, at Andersons første fortolkning af sine resultater var stærkt påvirket af synspunkterne hos sin mentor på Caltech, Robert A. Millikan, som havde været pioner inden for forskning i kosmisk stråling, men som fortsat var mistroisk over for den avancerede kvanteteori. Selv om den hurtige bekræftelse af Diracs forudsigelse var et vigtigt løft for teorien, insisterede Anderson altid på, at “opdagelsen af positronen var helt tilfældig” .

-David Lindley

David Lindley er freelance videnskabsskribent i Alexandria, Virginia.

1. Carl D. Anderson, Science 76, 238 (1932)
2. P.M.S. Blackett og G.P.S. Occhialini, Proc. Roy. Soc. A 139, 699 (1933)
3. Anderson citeret af A. Pais, Inward Bound, Oxford University Press, s. 352 (1986)

Fagområder

Flere artikler