Landmarks: The First Antiparticle

Lawrence Berkeley National Laboratory

Lawrence Berkeley National Laboratory

×

APS umieścił w sieci całe archiwum Physical Review, od 1893 roku. Focus Landmarks przedstawia ważne prace z archiwum.

Odkrycie w 1932 r. dodatniego elektronu, czyli pozytonu, było doskonałym przykładem uderzającego odkrycia eksperymentalnego, które ściśle wynikało z niezwykłego przewidywania teoretycznego – z tym wyjątkiem, że eksperymentator nie znał teorii i natknął się na nową cząstkę przez przypadek. Jednak wkrótce po opublikowaniu swoich wyników w Physical Review, dowiedział się o tym przewidywaniu od innych naukowców. W 1930 roku Carl Anderson z California Institute of Technology w Pasadenie rozpoczął badania nad promieniami kosmicznymi, wysokoenergetycznymi cząstkami o nieznanym wówczas składzie, których deszcz spadał na Ziemię. Użył do tego komory chmurowej, w której ślady cząstek pojawiają się jako ciągi drobnych kropelek w przesyconej parze. Kiedy komora jest ustawiona w polu magnetycznym, ścieżka każdej cząstki zakrzywia się zgodnie z jej ładunkiem i energią. Anderson zarejestrował liczne ślady, które mogły zostać wytworzone albo przez ujemnie naładowane cząstki zmierzające w jedną stronę, albo przez dodatnio naładowane cząstki zmierzające w drugą stronę.

Aby rozróżnić te dwie możliwości, Anderson umieścił płytkę ołowianą o grubości 6 milimetrów w poprzek środka swojej komory chmur. Każda cząstka przechodząca przez płytkę traciła energię, przez co jej tor zakrzywiał się ostrzej po drugiej stronie i ujawniał kierunek jej ruchu. Na 1300 zdjęciach komory chmur Anderson znalazł 15 śladów, które odpowiadały dodatnio naładowanym cząstkom. Ale nie mogły to być protony, zdał sobie sprawę, ponieważ protony o energii odpowiedniej do wytworzenia obserwowanej krzywizny toru zwolniłyby w wyniku zderzeń po kilku milimetrach, podczas gdy tory, które widział, miały długość centymetrów.

Anderson krótko ogłosił w Science swoje odkrycie „łatwo odchylanych cząstek dodatnich”, po czym opublikował pełny artykuł w Physical Review, w którym dokładnie przeanalizował równowagę pomiędzy masą i prędkością cząstek a ich stratami energii wzdłuż torów. Anderson dowodził, że cząstki niosą jeden dodatni ładunek i mają masę nie większą niż 20-krotność masy elektronu. Dochodząc do wniosku, że cząstki te były prawdopodobnie dodatnimi elektronami, lub „pozytonami”, zgodnie z sugestią redaktora czasopisma, zaproponował, że zostały one wyrzucone z jąder pobliskich atomów przez uderzenia promieni kosmicznych.

Anderson wiedział, że Paul Dirac z Uniwersytetu Cambridge opracował relatywistyczne kwantowe równanie mechaniczne dla elektronu. Ale najwyraźniej nie wiedział, że w 1931 roku Dirac wykorzystał swoją teorię, by przewidzieć istnienie cząstki identycznej z elektronem, tyle że o przeciwnym ładunku. Dowiedziawszy się o odkryciu Andersona, Patrick Blackett i Giuseppe Occhialini, również z Cambridge, przeprowadzili eksperymenty w komorze chmur, w których zaobserwowali jednoczesne wytwarzanie dodatnich i ujemnych par elektronów w zderzeniach promieni kosmicznych. Ogłosili oni swoje wyniki jako bezpośredni dowód na istnienie antycząstki Diraca, z czym Anderson szybko się zgodził.

Historyk Helge Kragh z Uniwersytetu w Aarhus w Danii sugeruje, że początkowa interpretacja wyników Andersona była pod silnym wpływem poglądów jego mentora w Caltech, Roberta A. Millikana, który był pionierem wielu badań nad promieniami kosmicznymi, ale pozostał nieufny wobec teorii kwantowej. Chociaż szybkie potwierdzenie przewidywań Diraca było ważnym impulsem dla teorii, Anderson zawsze upierał się, że „odkrycie pozytonu było całkowicie przypadkowe”.

-David Lindley

David Lindley jest niezależnym pisarzem naukowym w Alexandrii, Virginia.

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

Subject Areas

Więcej artykułów