Landmärken: Den första antipartikeln

Lawrence Berkeley National Laboratory

Lawrence Berkeley National Laboratory

×

APS har lagt ut hela Physical Review-arkivet på nätet, ända tillbaka till 1893. Focus Landmarks innehåller viktiga artiklar från arkivet.

Upptäckten av den positiva elektronen, eller positronen, 1932 var det perfekta exemplet på ett slående experimentellt fynd som följde tätt inpå en anmärkningsvärd teoretisk förutsägelse – med undantag för att experimentatorn inte kände till teorin och stötte på den nya partikeln av en slump. Men snart efter att ha publicerat sina resultat i Physical Review fick han reda på förutsägelsen från andra inom området. Upptäckten av positronen, som kom i hälarna på identifieringen av neutronen samma år, markerade början på en decennier lång era där observationerna av nya subatomära partiklar kom tätt och snabbt.

År 1930 började Carl Anderson vid California Institute of Technology i Pasadena att studera kosmisk strålning, högenergipartiklar med en då okänd sammansättning som hade visat sig regna ner på jorden. Han använde sig av en molnkammare, där partikelspåren framstår som strängar av små droppar i en övermättad ånga. När kammaren sätts i ett magnetfält kröker sig varje partikelbana i enlighet med partikelns laddning och energi. Anderson registrerade ett stort antal spår som kunde ha uppstått antingen av negativt laddade partiklar som gick åt ena hållet eller positivt laddade partiklar som gick åt andra hållet.

För att särskilja dessa två möjligheter placerade Anderson en 6 millimeter tjock blyplatta tvärs över mitten av sin molnkammare. Varje partikel som passerade genom plattan förlorade energi, vilket gjorde att dess bana krökte skarpare på andra sidan och avslöjade dess rörelseriktning. På sammanlagt 1 300 fotografier från molnkammaren hittade Anderson 15 spår som motsvarade positivt laddade partiklar. Men de kunde inte vara protoner, insåg han, eftersom protoner med rätt energi för att åstadkomma den observerade spårkrökningen skulle bromsas upp av kollisioner efter några millimeter, medan de spår han såg var centimeterlånga.

Anderson tillkännagav kortfattat i Science sin upptäckt av ”lätt avböjbara positiva partiklar”, och följde upp med en fullständig artikel i Physical Review där han noggrant analyserade balansen mellan partiklarnas massa och hastighet och deras energiförlust längs spåren. Anderson hävdade att partiklarna bar på en positiv laddningsenhet och hade en massa som inte var mer än 20 gånger större än elektronens. Han hoppade till slutsatsen att dessa partiklar förmodligen var positiva elektroner, eller ”positroner”, och följde tidskriftsredaktörens förslag och föreslog att de hade kastats ut från kärnorna i närliggande atomer vid nedslag av kosmiska strålar.

Anderson visste att Paul Dirac vid Cambridge University hade utarbetat en relativistisk kvantmekanisk ekvation för elektronen. Men han visste tydligen inte att Dirac 1931 hade använt sin teori för att förutsäga existensen av en partikel som är identisk med elektronen förutom att den har motsatt laddning. Patrick Blackett och Giuseppe Occhialini, även de vid Cambridge, fick kännedom om Andersons upptäckt och genomförde experiment i molnkammare där de såg att positiva och negativa elektronpar producerades samtidigt i kollisioner med kosmiska strålar. De tillkännagav sina resultat som direkta bevis för Diracs förutspådda antipartikel, en slutsats som Anderson snabbt höll med om.

Historikern Helge Kragh vid Århus universitet i Danmark menar att Andersons första tolkning av sina resultat var starkt påverkad av åsikterna hos hans mentor vid Caltech, Robert A. Millikan, som hade varit en pionjär inom forskningen om kosmiska strålar men som förblev misstänksam mot den avancerade kvantteorin. Även om den snabba bekräftelsen av Diracs förutsägelse var en viktig förstärkning av teorin, insisterade Anderson alltid på att ”upptäckten av positronen var helt och hållet oavsiktlig”.

-David Lindley

David Lindley är frilansande vetenskapsskribent i Alexandria, Virginia.

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

Temaområden

Fler artiklar