Landmarks: Das erste Antiteilchen

Lawrence Berkeley National Laboratory

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APS hat das gesamte Physical Review Archiv online gestellt, zurück bis 1893. In Focus Landmarks werden wichtige Artikel aus dem Archiv vorgestellt.

Die Entdeckung des positiven Elektrons oder Positrons im Jahr 1932 war das perfekte Beispiel für eine bemerkenswerte experimentelle Entdeckung, die sich eng an eine bemerkenswerte theoretische Vorhersage anschloss – außer dass der Experimentator die Theorie nicht kannte und zufällig auf das neue Teilchen stieß. Doch schon bald nach der Veröffentlichung seiner Ergebnisse in der Physical Review erfuhr er von der Vorhersage durch andere Fachleute. Nach der Entdeckung des Neutrons im selben Jahr markierte die Entdeckung des Positrons den Beginn einer jahrzehntelangen Ära, in der sich die Entdeckungen neuer subatomarer Teilchen häuften.

1930 begann Carl Anderson vom California Institute of Technology in Pasadena mit der Untersuchung der kosmischen Strahlung, hochenergetischer Teilchen von damals unbekannter Zusammensetzung, die auf die Erde niedergingen. Er benutzte eine Nebelkammer, in der die Teilchenspuren als Fäden winziger Tröpfchen in einem übersättigten Dampf erscheinen. Wenn die Kammer in ein Magnetfeld gesetzt wird, krümmt sich der Weg jedes Teilchens je nach seiner Ladung und Energie. Anderson zeichnete zahlreiche Spuren auf, die entweder durch negativ geladene Teilchen in die eine oder positiv geladene Teilchen in die andere Richtung entstanden sein könnten.

Um diese beiden Möglichkeiten zu unterscheiden, platzierte Anderson eine sechs Millimeter dicke Bleiplatte in der Mitte seiner Nebelkammer. Jedes Teilchen, das die Platte passierte, verlor Energie, wodurch seine Bahn auf der anderen Seite stärker gekrümmt wurde und seine Bewegungsrichtung sichtbar wurde. Auf insgesamt 1300 Wolkenkammerfotos fand Anderson 15 Spuren, die positiv geladenen Teilchen entsprachen. Anderson stellte fest, dass es sich dabei nicht um Protonen handeln konnte, denn Protonen mit der richtigen Energie, um die beobachtete Krümmung der Spuren zu erzeugen, würden durch Kollisionen nach einigen Millimetern abgebremst, während die Spuren, die er sah, zentimeterlang waren.

Anderson gab seine Entdeckung der „leicht ablenkbaren Positiven“ kurz in Science bekannt und veröffentlichte daraufhin einen ausführlichen Artikel in der Physical Review, in dem er das Gleichgewicht zwischen der Masse und Geschwindigkeit der Teilchen und ihrem Energieverlust entlang der Spuren sorgfältig analysierte. Anderson argumentierte, dass die Teilchen eine positive Ladungseinheit trugen und eine Masse hatten, die nicht mehr als das 20-fache der Masse eines Elektrons betrug. Er schloss daraus, dass es sich bei diesen Teilchen wahrscheinlich um positive Elektronen oder „Positronen“ handelte, und schlug vor, dass sie durch Einschläge kosmischer Strahlen aus den Kernen nahe gelegener Atome herausgeschleudert wurden.

Anderson wusste, dass Paul Dirac von der Universität Cambridge eine relativistische quantenmechanische Gleichung für das Elektron aufgestellt hatte. Aber offenbar wusste er nicht, dass Dirac 1931 seine Theorie benutzt hatte, um die Existenz eines Teilchens vorherzusagen, das mit dem Elektron identisch ist, aber die entgegengesetzte Ladung hat. Als sie von Andersons Entdeckung erfuhren, führten Patrick Blackett und Giuseppe Occhialini, ebenfalls in Cambridge, Wolkenkammerexperimente durch, bei denen sie die gleichzeitige Erzeugung positiver und negativer Elektronenpaare bei Kollisionen mit kosmischen Strahlen beobachteten. Sie verkündeten ihre Ergebnisse als direkten Beweis für Diracs vorhergesagtes Antiteilchen, eine Schlussfolgerung, der Anderson schnell zustimmte.

Der Historiker Helge Kragh von der Universität Aarhus in Dänemark vermutet, dass Andersons anfängliche Interpretation seiner Ergebnisse stark von den Ansichten seines Mentors am Caltech, Robert A. Millikan, beeinflusst war, der in der kosmischen Strahlenforschung Pionierarbeit geleistet hatte, aber der anspruchsvollen Quantentheorie misstrauisch gegenüberstand. Obwohl die rasche Bestätigung von Diracs Vorhersage ein wichtiger Impuls für die Theorie war, bestand Anderson immer darauf, dass „die Entdeckung des Positrons völlig zufällig war“.

-David Lindley

David Lindley ist freiberuflicher Wissenschaftsautor in Alexandria, Virginia.

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

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