Открытие позитрона

Фотография, по которой был открыт позитрон (здесь прерывистый след его проходит через свинцовую пластину в камере Вильсона), получила в ядерной физике большую известность, чем любой другой снимок. Впервые опубликованная (в виде негатива) в журнале Physical Review семь месяцев спустя после открытия позитрона, она произвела сенсацию в научном мире.

То было недолгое, но блаженное время, когда физики могли убедить себя, что фундаментальные "кирпичики" вещества образуют знакомую ныне любому школьнику троицу: отрицательно заряженная частица (электрон, открытый в 1897 г.), положительно заряженная частица (протон, обнаруженный в 1911 г.) и электрически нейтральная частица (нейтрон, открытый в 1932 г.). Однако вслед за открытием нейтрона Чедвиком на фотоснимках стали обнаруживать серии треков, явно говоривших о существовании еще одной частицы, похожей на электрон, но с положительным электрическим зарядом. Это была первая античастица, и хотя сейчас мы принимаем как должное, что каждой частице соответствует античастица, в то время эта мысль была еще непривычной. Представление об античастицах намного опередило их открытие, так как Поль Дирак еще в 1928 г. теоретически предсказал возможность существования положительно заряженного аналога электрона. Однако лишь после открытия "положительного электрона" стало ясно, что за математической абстракцией стоит физическая реальность. "Открытие позитрона, - вспоминал в 1961 г. Карл Андерсон, - было совершенной случайностью. Несмотря на то что релятивистская электронная теория Дирака предсказывала существование позитрона и об этой теории хорошо знали почти все физики, она не сыграла никакой роли в открытии позитрона".

Летом 1932 г. Карл Андерсон и его руководитель Роберт Милликен начали в Калифорнийском технологическом институте (Калтех) работу по изучению космических лучей с помощью камеры Вильсона. Существование проникающего излучения, приходящего из космоса, было известно еще с 1912 г., когда его открыл Виктор Гесс, совершив полет на воздушном шаре; в 1927 г. это излучение зарегистрировал с помощью камеры Вильсона Д. В. Скобельцын. Новым в опытах Андерсона было использование более мощного электромагнита, способного вызывать отклонение частиц со значительно более высокими энергиями (до 4-5 БэВ), чем прежде. Из 1300 полученных фотографий треков космических лучей 15 убедительно свидетельствовали о существовании новой частицы.

Конечно, физики из Калтеха не спешили с выводами. В отсутствие свинцовой пластины (на снимке - горизонтальная черта посередине) можно было допустить, что трек принадлежит движущемуся вниз электрону. Однако увеличение кривизны траектории над пластиной говорило о потере кинетической энергии, а вряд ли можно было предположить, что электрон приобрел энергию, пройдя через 6-миллиметровый слой свинца. Таким образом, трек должен был начинаться в нижней части снимка, и, следовательно, направление отклонения частицы в магнитном поле указывало на ее положительный заряд. (Может показаться странным, что частица из космических лучей движется снизу вверх, - дело в том, что первоначальное направление движения могло измениться в результате рассеяния.) Далее следовало исключить предположение, что трек принадлежит протону; об этом говорили как длина и кривизна трека, так и его толщина: более тяжелые и медленные частицы (такие, как протоны) создают значительно больше сконденсировавшихся капель воды на единицу длины трека. Так что слабый след, зарегистрированный на фотографии, мог принадлежать лишь легкой частице, подобной электрону.

Оставалось признать, что Андерсон обнаружил новую частицу. В конце статьи, где сообщалось об открытии, он писал, что если природа допускает существование положительных электронов, то она должна была позаботиться и о наличии отрицательных протонов; однако эта симметрия получила свое экспериментальное подтверждение лишь через 24 года.

Вскоре подтверждения существования позитрона последовали от П. М. С. Блэкетта и Дж. С. Оккиалини, которые впервые использовали автоматическую камеру Вильсона, управляемую счетчиками Гейгера. Всего через шесть месяцев после открытия Андерсона они предложили удовлетворительное объяснение образования позитронов в космичесих лучах - спонтанное рождение электронно-позитронных пар из гамма-квантов космических лучей. Работая с прибором, аналогичным тому, с помощью которого они едва не открыли нейтрон, супруги Жолио-Кюри несколько месяцев спустя после открытия Андерсона наблюдали рождение электронно- позитронной пары в лабораторных условиях.

1 августа 1932. Калифорнийский технологический институт, Пасадена К. Андерсон. Камера Вильсона в магнитном поле. 15000 гаусс. Музей науки, Лондон. [6, 7, 127, 248]