Les repères : La première antiparticule

Lawrence Berkeley National Laboratory

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L’APS a mis en ligne l’intégralité des archives de Physical Review, depuis 1893. Focus Landmarks présente des articles importants tirés des archives.

La découverte en 1932 de l’électron positif, ou positron, était l’exemple parfait d’une découverte expérimentale frappante suivant de près une prédiction théorique remarquable – sauf que l’expérimentateur n’était pas au courant de la théorie et est tombé sur la nouvelle particule par accident. Mais peu après avoir publié ses résultats dans la Physical Review, il a appris la prédiction par d’autres personnes du domaine. Venant juste après l’identification du neutron la même année, la découverte du positron a marqué le début d’une ère de plusieurs décennies au cours de laquelle les observations de nouvelles particules subatomiques se sont succédé à un rythme effréné.

En 1930, Carl Anderson, de l’Institut de technologie de Californie à Pasadena, a commencé à étudier les rayons cosmiques, des particules de haute énergie de composition alors inconnue qui s’étaient avérées pleuvoir sur la Terre. Il utilisa une chambre à nuages, dans laquelle les traces de particules apparaissent comme des chapelets de minuscules gouttelettes dans une vapeur sursaturée. Lorsque la chambre est placée dans un champ magnétique, la trajectoire de chaque particule s’incurve en fonction de sa charge et de son énergie. Anderson a enregistré de nombreuses traces qui auraient pu être produites soit par des particules chargées négativement allant dans un sens, soit par des particules chargées positivement allant dans l’autre sens.

Pour distinguer ces deux possibilités, Anderson a placé une plaque de plomb de 6 millimètres d’épaisseur au centre de sa chambre à nuages. Toute particule traversant la plaque perdait de l’énergie, ce qui faisait que sa trajectoire s’incurvait plus fortement de l’autre côté et révélait sa direction de déplacement. Sur un total de 1300 photographies de la chambre à nuages, Anderson a trouvé 15 traces correspondant à des particules chargées positivement. Mais il ne pouvait pas s’agir de protons, a-t-il réalisé, car des protons ayant l’énergie adéquate pour produire la courbure de piste observée ralentiraient par collisions après quelques millimètres, alors que les pistes qu’il a vues mesuraient des centimètres de long.

Anderson a brièvement annoncé dans Science sa découverte de « positifs facilement déviables », puis a poursuivi avec un article complet dans Physical Review qui a soigneusement analysé l’équilibre entre la masse et la vitesse des particules et leur perte d’énergie le long des pistes. Selon Anderson, les particules portaient une unité de charge positive et avaient une masse qui ne dépassait pas 20 fois celle de l’électron. Sautant à la conclusion que ces particules étaient probablement des électrons positifs, ou « positrons », suivant la suggestion du rédacteur en chef du journal, il a proposé qu’elles aient été éjectées des noyaux d’atomes proches par des impacts de rayons cosmiques.

Anderson savait que Paul Dirac de l’Université de Cambridge avait élaboré une équation de mécanique quantique relativiste pour l’électron. Mais apparemment, il ne savait pas qu’en 1931, Dirac avait utilisé sa théorie pour prédire l’existence d’une particule identique à l’électron, sauf qu’elle avait la charge opposée. Apprenant la découverte d’Anderson, Patrick Blackett et Giuseppe Occhialini, également à Cambridge, ont mené des expériences dans des chambres à nuages dans lesquelles ils ont observé la production simultanée de paires d’électrons positifs et négatifs dans des collisions de rayons cosmiques. Ils ont annoncé leurs résultats comme une preuve directe de l’antiparticule prédite par Dirac, une conclusion à laquelle Anderson s’est rapidement rallié.

L’historien Helge Kragh de l’Université d’Aarhus au Danemark suggère que l’interprétation initiale des résultats d’Anderson a été fortement influencée par les vues de son mentor à Caltech, Robert A. Millikan, qui avait été à l’origine de nombreuses recherches sur les rayons cosmiques mais qui restait méfiant à l’égard de la théorie quantique intellectuelle. Bien que la validation rapide de la prédiction de Dirac ait été un coup de pouce important pour la théorie, Anderson a toujours insisté sur le fait que « la découverte du positron était totalement accidentelle » .

-David Lindley

David Lindley est un écrivain scientifique indépendant à Alexandria, en Virginie.

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

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