Открытие позитронов, антипротонов и антинейтронов

Космические лучи и открытие заряженных элементов

Карл Андерсон был одним из первых, кто использовал облачную камеру для изучения космических лучей. Он окружил свою облачную камеру большим электромагнитом; настолько мощным, что свет в лаборатории потускнел, когда он включил его. Магнит заставил бы дорожки искривляться, если бы частица была заряжена, и, действительно, все дорожки искривлены, что не так уж и шокирует, поскольку именно электрический заряд заставляет инверсионный след маленькой струи.

Андерсон установил свою облачную камеру и магнит и использовал камеру для съемки. Большинство фотографий были пустыми, но на некоторых были записаны дорожки, и он мог использовать эти фотографии, чтобы охарактеризовать то, что происходило в космических лучах. Он, конечно, видел то, что выглядело как электроны, то есть частицы, изгибающиеся таким образом, что ясно указывало на то, что они легкие, быстрые и отрицательно заряженные.

Но он также обнаружил те, которые двигались вверх и выглядели так, как будто они были легкими, быстрыми и положительно заряженными. Фактически, по сути, они выглядели точно так же, как положительно заряженные электроны.

Что делал Андерсон, чтобы доказать свою правоту

Но, конечно, никто никогда не видел ничего подобного, и его научный руководитель и другие старшие физики были настроены крайне скептически. Черт возьми, я был бы настроен скептически. Они предположили, что, возможно, это движущиеся вниз отрицательные частицы, которые будут изгибаться так же, как движущиеся вверх положительные частицы. Это бы все объяснило.

Но Андерсон поместил свинцовый лист в свою облачную камеру и доказал, что он был прав. То, что он видел, было движущейся вверх положительно заряженной частицей, легкой и быстрой. Он видел то, что казалось невозможным. Он видел положительный электрон.

Но сначала, почему свинец был важен? Частица, подобная электрону, будет терять энергию, когда она проходит через свинец. Частицы с низкой энергией будут сильнее изгибаться в магнитном поле, чем частицы с высокой энергией. Таким образом, пропустив частицу через свинец и посмотрев, был ли путь более изогнут сверху или снизу, он мог однозначно определить направление частицы.

Если он изгибался больше над свинцом, значит, частица двигалась вверх. И если вы знаете, в каком направлении движется частица и изгибается ли она вправо или влево, вы можете узнать, заряжена она положительно или отрицательно.

Позитроны против антипротонов

Итак, откуда взялся позитрон? Это не похоже на то, что вы можете найти это в природе, просто лежащее где-то. И, более того, когда позитрон замедлялся, он аннигилировал с блуждающим электроном, который метался вокруг. Это был вопрос, на который нужно было ответить. К счастью, ответ был там, в уравнениях Дирака.

Итак, что происходило, так это то, что энергия этих космических лучей высокой энергии преобразовывалась в пары электронов и позитронов. Антивещество было открыто. Антипротон, эквивалент протона в антивеществе, который был бы похож на протон, но с отрицательным зарядом. Андерсон тоже это обнаружил? На самом деле, нет, ему просто не хватило энергии.

Протон весит чуть ли не в 2000 раз больше электрона, и то же самое верно для антипротона и позитрона. Для создания антипротонов требуется гораздо больше энергии, чем для создания позитронов. И действительно, возможно создавать антипротоны при взаимодействии с космическими лучами, но это просто супер, невероятно, редко.

Андерсону просто не повезло. На самом деле, хотя он и открыл позитроны в 1931 году, антипротоны были обнаружены только в 1955 году, и это было сделано не с использованием космических лучей. На самом деле для этого потребовался сверхмощный ускоритель частиц, построенный специально для этой цели.

Открытие антинейтронов

Беватрон был ускорителем частиц, построенным недалеко от Калифорнийского университета в Беркли. Название происходит от приставки Bev — или B – E – V, что является сокращением от миллиарда электронвольт, а атрон — это конечное название множества ускорителей частиц. Bev немного сбивает с толку, поскольку мы больше не используем этот термин, теперь мы используем букву G для обозначения миллиарда.

Это стандарт для метрической системы, где G является сокращением от giga, что является префиксом для миллиарда. Правильное произношение этого G – твердое G, и ученые говорят G – E - V, или ГэВ, но мы также говорим гигаэлектронвольт. Перефразируя Ральфа Уолдо Эмерсона, последовательность - это для недалеких умов.