Landmarks: La Prima Antiparticella

Lawrence Berkeley National Laboratory

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APS ha messo online l’intero archivio di Physical Review, a partire dal 1893. La scoperta del 1932 dell’elettrone positivo, o positrone, fu l’esempio perfetto di una sorprendente scoperta sperimentale che segue da vicino una notevole previsione teorica, tranne per il fatto che lo sperimentatore non era a conoscenza della teoria e si imbatté nella nuova particella per caso. Ma subito dopo aver pubblicato i suoi risultati sulla Physical Review, venne a conoscenza della predizione da altri nel campo. Sulla scia dell’identificazione del neutrone nello stesso anno, la scoperta del positrone segnò l’inizio di un’era decennale in cui gli avvistamenti di nuove particelle subatomiche si susseguivano fitti e veloci.

Nel 1930 Carl Anderson del California Institute of Technology di Pasadena iniziò a studiare i raggi cosmici, particelle di alta energia di composizione allora sconosciuta che si era scoperto piovere sulla Terra. Ha usato una camera a nubi, in cui le tracce di particelle appaiono come stringhe di minuscole goccioline in un vapore supersaturo. Quando la camera è posta in un campo magnetico, il percorso di ogni particella curva secondo la carica e l’energia della particella. Anderson ha registrato numerose tracce che potrebbero essere state prodotte da particelle caricate negativamente che vanno in una direzione o da particelle caricate positivamente che vanno nell’altra direzione.

Per distinguere queste due possibilità, Anderson ha messo una piastra di piombo di 6 millimetri di spessore al centro della sua camera a nubi. Ogni particella che passava attraverso la piastra perdeva energia, facendo curvare la sua traccia più nettamente dall’altra parte e rivelando la sua direzione di movimento. In un totale di 1300 fotografie della camera a nubi, Anderson ha trovato 15 tracce che corrispondevano a particelle caricate positivamente. Ma non potevano essere protoni, si rese conto, perché i protoni della giusta energia per produrre la curvatura della traccia osservata avrebbero rallentato per collisione dopo pochi millimetri, mentre le tracce che vide erano lunghe centimetri.

Anderson annunciò brevemente su Science la sua scoperta di “positivi facilmente deflazionabili”, seguendo con un articolo completo sulla Physical Review che analizzava attentamente il bilancio tra la massa e la velocità delle particelle e la loro perdita di energia lungo le tracce. Anderson sosteneva che le particelle portavano un’unità positiva di carica e avevano una massa non più di 20 volte quella dell’elettrone. Saltando alla conclusione che queste particelle erano probabilmente elettroni positivi, o “positroni”, seguendo il suggerimento dell’editore della rivista, propose che fossero espulsi dai nuclei di atomi vicini da impatti di raggi cosmici.

Anderson sapeva che Paul Dirac dell’Università di Cambridge aveva elaborato un’equazione meccanica quantistica relativistica per l’elettrone. Ma apparentemente non sapeva che nel 1931 Dirac aveva usato la sua teoria per prevedere l’esistenza di una particella identica all’elettrone, tranne che per avere la carica opposta. Venendo a conoscenza della scoperta di Anderson, Patrick Blackett e Giuseppe Occhialini, sempre a Cambridge, condussero esperimenti di camera nuvolosa in cui videro la produzione simultanea di coppie di elettroni positivi e negativi nelle collisioni dei raggi cosmici. Essi annunciarono i loro risultati come prova diretta dell’antiparticella prevista da Dirac, una conclusione su cui Anderson si trovò subito d’accordo.

Lo storico Helge Kragh dell’Università di Aarhus in Danimarca suggerisce che l’interpretazione iniziale di Anderson dei suoi risultati fu fortemente influenzata dalle opinioni del suo mentore al Caltech, Robert A. Millikan, che aveva aperto la strada a molte ricerche sui raggi cosmici, ma rimase diffidente della teoria quantistica più sofisticata. Anche se la rapida rivendicazione della previsione di Dirac è stata una spinta importante per la teoria, Anderson ha sempre insistito che “la scoperta del positrone era del tutto accidentale”.

-David Lindley

David Lindley è uno scrittore scientifico freelance ad Alexandria, Virginia.

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

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