Gyorskeresés

Antirészecskék 10307

A kvantummechanika kifejlődése során Dirac 1928-ban felírta a Schrödinger-féle hullámegyenlet relativisztikus változatát elektronra, ez volt a Dirac-egyenlet. Ez egyszerre két áttörést is hozott:

  • magyarázatot adott az elektron spinjére, amit 1922-ben a Stern-Gerlach-kísérletben fedeztek fel
  • megjósolta, hogy az elektronnak kell lennie egy másik változatának is (amit Dirac antielektronnak nevezett el), melynek az előjeles mennyiségei, pl. az elektromos töltés, ellentétes az elektronéval, a többi tulajdonsága pedig, pl. a tömeg, azonos (később kiderült, hogy minden feles spinű részecskének, azaz minden fermionnak van antirészecskéje, így a protonoknak és a neutronoknak is)

Anderson 1932-ben a saját építésű, dugattyúval ellátott expanziós ködkamrájával a kozmikus sugárzásból érkező részecskéket tanulmányozta. Akkoriban a szubatomi részecskék közül még csak az elektron és a proton volt ismert. Anderson azt találta, hogy vannak az elektronhoz hasonló nyomot hagyó, de pozitív töltésű részecskék. Ha ismerjük, hogy arészecske a ködfonalon melyik irányba haladt, akkor a mágneses mező eltérítésének iránya alapján könnyű megmondani a töltés előjelét:

Azonban a kozmikus sugárzás részecskéi nagyon sokféle irányból jöhetnek. Emiatt ugyanaz az íves nyom (a részecske haladási irányától függően) lehet pozitív töltésű részecske is, de negatív töltésű is. Mivel a részecske közel fénysebességgelmozog, a ködkamrában esély sem volt kimutatni a haladási irányt.

Anderson azonban kitalált egy trükköt. A ködkamráját középen kettéosztotta egy vékony ólomlemezzel. A nagy energiájú részecske az ólomlemezen áthaladva érdemben lelassul, de folytatja haladását. Mivel egy \(\vec{B}\) indukviójú mágneses mező egy rá merőleges \(\vec{v}\) sebességű, \(q\) töltésű, \(m\) tömegű részecskét

\[r=\frac{mv}{qB}\]

sugarú körpályára kényszerít, ezért a lelassult (kesebb sebességű) részecske kisebb sugarú körpályaíven fog haladni, vagyis "jobban görbül" a pályája. Anderson így egyértelművé tudta tenni, hogy merre haladt a részecske a felvételen, így a töltésének előjele is egyértelművé vált. Így fedezte fel az elektron pozitív töltésű antirészecskéjét, amit pozitronnak nevezett el. Az alábbi kép a számára Nobel-díjat hozó felvétel, melyen alulről felfelé jön a pozitron, a középső vízszintes csík a \(6\ \mathrm{mm}\) vastagságú ólomlemez, melyen áthaladva a részecske veszít sebességéből, és emiatt felül már kisebb sugarú körpályán halad tovább:

A kiértékelés alapján a bejövő pozitron \(63\ \mathrm{MeV}\) kezdeti mozgási energiájú volt, majd az ólomlemezen átfurakodva \(23\ \mathrm{MeV}\) mozgási energiával haladt tovább.

Anderson ehhez egy jókora, két tonnás berendezést kellet, hogy építsen. Maga a ködkamra rész pici volt, mindössze \(17\ \mathrm{cm}\) átmérőjű és \(3\ \mathrm{cm}\) vastag. Azonban mivel a kozmikus sugárzás részecskéi nagyon gyorsak, emiatt a pályaívük jelentős, jól mérhető elgörbüléshez hatalmas mágneses mezőre volt szükség. Az elektromágnes rézdrót helyett csövekből álllt, hogy benne hűtővíz keringhessen:

Az elektromágnes táplálása \(425\ \mathrm{kW}\) elektromos teljesítményt igényelt, amivel \(1,7\ \mathrm{T}\) mágneses indukciót állított elő. A hosszanti vasmagba fúrt lyukon keresztül "látott be" a kamera, hogy a felvételeket elkészítse. Mivel a ködképződés csupán \(0,025\ \mathrm{s}\) időn át tartott, és ez idő alatt nagy eséllyel nem haladt át részecske a kamrán, vagy ha igen, akkor az egy nem túl érdekes elektron vagy proton volt, így nagyon sok felvételt kellett készíteni; Andersonnak 1600 képre volt szüksége a nagy felfedezéshez. 

Tudománytörténeti érdekessség, hogy Anderson főnöke, az akkor már Nobel-díjas, nagy tekintélyű Millikan ellenezte az ólomlemez használatát, mondván, a kozmikus sugárzás részecskéi úgyis "felülről" jönnek, tehát lehet tudni az irányukat. De az egyértelmű bizonyítékoknak mindig nagy erejük van.

A következő antirészecske, amit sikerült kimutatni, az antiproton volt 1955-ben.