70 χρόνια από την ανακάλυψη του ποζιτρονίου

Άρθρο, Ιανουάριος 2002

Ο Dirac από την επεξεργασία των εξισώσεων της θεωρίας της κυματοσυνάρτησης των ηλεκτρονίων, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια πρέπει να υπάρχουν σε δύο ενεργειακές καταστάσεις, μια θετική και μια αρνητική. Αρχικά ο Dirac θεωρούσε πως το πρωτόνιο αντιπροσώπευε την άλλη ενεργειακή κατάσταση του ηλεκτρονίου. Γρήγορα όμως κατάλαβε πως έκανε λάθος και το 1930 υποστήριξε πως υπάρχουν δύο άλλα σωματίδια (άγνωστα μέχρι τότε) όμοια με τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια αλλά με αντίθετα φορτία. Αυτά που σήμερα ονομάζονται, αντιηλεκτρόνια ή ποζιτρόνια και αντιπρωτόνια αντίστοιχα. Αυτά τα δύο, αν υπήρχαν, θα συγκροτούσαν την αντιύλη. Η πρόβλεψη όμως του Ντιράκ βγήκε σωστή με την ανακάλυψη του ποζιτρονίου, από τον Αμερικανό φυσικό Carl David Andersοn το 1932.

Αφού για πρώτη φορά ο Skobelzyn το 1927 φωτογράφισε τις τροχιές των σωματιδίων της κοσμικής ακτινοβολίας, ο Μίλλικαν (γνωστός από την ανακάλυψη του φορτίου του ηλεκτρονίου το 1896), κι ένας σπουδαίος μαθητής του ο Άντερσον, άρχισαν να συνεργάζονται την άνοιξη του 1930, για την σχεδίαση ενός θαλάμου νεφώσεως, σε μια προσπάθεια μελέτης των κοσμικών ακτίνων.

Στόχος των πειραμάτων αυτών ήταν να μετρηθεί το ενεργειακό φάσμα των δευτερογενών ηλεκτρονίων που παράγονται από την κοσμική ακτινοβολία. Μέχρι το 1930, οι φυσικοί πίστευαν ότι αυτή η ακτινοβολία αποτελείται από φωτόνια υψηλής ενέργειας.

Ο Άντερσον άρχισε λοιπόν να κατασκευάζει θαλάμους νεφώσεων, μέσα σε μαγνητικά πεδία έντασης περίπου 24.000 Gauss, οι οποίοι περιείχαν διαχωριστικά μεταλλικά ελάσματα (λεπτές πλάκες από μόλυβδο), μέσα από τα οποία έπρεπε να περάσουν τα παρατηρούμενα σωμάτια.

Τα σωματίδια των κοσμικών ακτινοβολιών έχουν τόσο υψηλή ενέργεια ώστε, όταν ένα τέτοιο σωματίδιο εισέρχεται σε έναν συνηθισμένο θάλαμο νεφώσεως, το μαγνητικό πεδίο το εκτρέπει ελάχιστα και οι πληροφορίες που μπορούμε να συναγάγουμε από την σχεδόν ευθεία τροχιά του είναι ελάχιστες.

Το πρόβλημα αυτό λύνεται με την τοποθέτηση του μολύβδινου ελάσματος μέσα στον θάλαμο. Τα σωματίδια των κοσμικών ακτίνων, έχουν αρκετή ενέργεια ώστε να διαπεράσουν το πέτασμα, αλλά, λόγω της διέλευσης αυτής, χάνουν αρκετή από την κινητική ενέργειά τους και έτσι εκτρέπονται εύκολα πλέον από το μαγνητικό πεδίο.

'Ετσι, θα μπορούσαν οι επιστήμονες, να παρατηρήσουν την εκτροπή που υφίσταντο και τη συμπεριφορά τους κατά τη διέλευση τους μέσω των ελασμάτων.

Χρησιμοποιώντας επί καιρό την τεχνική αυτή με τις βελτιώσεις και τις παραλλαγές της, ο Άντερσον και οι μαθητές του κατόρθωσαν να κάνουν πολλές σπουδαίες ανακαλύψεις. Μία από τις πρώτες ήταν εκείνη που έγινε στις 2 Αυγούστου του 1932. Την ημέρα εκείνη ο Άντερσον κατόρθωσε να πάρει μια φωτογραφία , στην οποία φαινόταν ένα ηλεκτρόνιο καθώς περνάει μέσα από ένα έλασμα μολύβδου και σταματά στο θάλαμο νεφώσεων.

Η κατεύθυνση της κίνησης προσδιορίζεται με ασφάλεια, επειδή το ηλεκτρόνιο, καθώς περνά μέσα από το έλασμα χάνει ορμή, με συνέπεια η καμπυλότητα της τροχιάς του ν' αυξάνεται. Κατά συνέπεια, το ηλεκτρόνιο της φωτογραφίας που πήραν, πρέπει να κινείται προς τα πάνω. Ωστόσο, για δεδομένη κατεύθυνση της ταχύτητας και του μαγνητικού πεδίου, η τροχιά της φωτογραφίας αντιστοιχεί σε κί νηση θετικά φορτισμένου σωματίου και όχι αρνητικού όπως είναι το ηλεκτρόνιο.

Στην ανωτέρω εικόνα, ένα ποζιτρόνιο κοσμικής ακτινοβολίας 63 ΜeV, με φορά από κάτω, διαπερνά ένα έλασμα πάχους 6mm και εξέρχεται, επιβραδυνόμενο, με μία ενέργεια 23 MeV. Το μήκος αυτής της τροχιάς για το ποζιτρόνιο είναι δέκα φορές περισσότερο από το μήκος της τροχιάς ενός πρωτονίου, της ιδίας καμπυλότητας. Το μαγνητικό πεδίο είναι έντασης 15.000 Gauss, κάθετο προς την οθόνη. Είναι η απόδειξη πως το σωματίδιο δεν είναι πρωτόνιο αλλά ένα θετικό ηλεκτρόνιο. (Φωτογραφία του Anderson, 1933)

Στην αρχή υποψιάστηκαν πως πρόκειται για ένα πρωτόνιο. Αυτό όμως είναι αδύνατον, επειδή η τροχιά ενός πρωτονίου που έχει αρκετή ορμή ώστε να διαπεράσει το έλασμα του μολύβδου, δεν θα έπρεπε να δείχνει οποιαδήποτε ορατή καμπύλωση μέσα στο μαγνητικό πεδίο του θαλάμου κι αντιστρόφως, αν η τροχιά του καμπυλωνόταν, το πρωτόνιο δεν θα έπρεπε να διαθέτει την απαιτούμενη ορμή για να διαπεράσει το έλασμα.

Η λεπτομερειακή εξέταση της φωτογραφίας που πήρε ο Άντερσον, τον οδήγησε αναπόφευκτα στο συμπέρασμα ότι πραγματικά είχαν να κάνουν , ένα θετικό ηλεκτρόνιο, ένα ποζιτρόνιο, όπως το γνωρίζουμε.

Βέβαια ο Άντερσον γνώριζε, το 1932, τη θεωρία του Ντιράκ, η οποία προέβλεπε την ύπαρξη του ποζιτρονίου, και προσπάθησε να στηρίξει τα επιχειρήματά της θεωρίας αυτής. 'Ετσι, δημοσίευσε μια σύντομη ανακοίνωση, με τέτοια όμως πειστικά πειραματικά στοιχεία, ώστε όλοι οι φυσικοί αντιλήφθηκαν ότι είχε παρατηρήσει το ποζιτρόνιο. Κι αυτό, βέβαια, ήταν όχι μόνο δικός του θρίαμβος, αλλά και της θεωρίας του Ντιράκ.

Για την ανακάλυψή του αυτή, ο Άντερσον τιμήθηκε με το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1936, μαζί με τον Hess (1883-1964), που είχε ανακαλύψει τις κοσμικές ακτίνες.

Την εποχή εκείνη και άλλοι φυσικοί, είχαν πραγματοποιήσει αντίστοιχα πειράματα, αλλά δεν είχαν καταλάβει τις τροχιές αυτών των άγνωστων σωματιδίων, παρόλο που τα είχαν φωτογραφήσει!

Δύο από αυτούς ήταν, η Ιρέν Κιουρί και ο σύζυγός της Ζολιό που είχαν δεί ποζιτρόνια σε ένα θάλαμο νεφώσεως, πριν από τον Άντερσον, όταν μελετούσαν την ακτινοβολία πολωνίου-βηρυλλίου, όμως τα είχαν θεωρήσει για ηλεκτρόνια που έπεφταν στην πηγή αντί για ποζι τρόνια που προέρχονταν απ' αυτήν. Βέβαια, ήταν δύσκολο να καταλάβουν αν τα ηλεκτρόνια κινούνταν προς την πηγή ή προέρχονταν από αυτήν.

Όπως έχουμε δει το ζεύγος των Κιουρί και Ζολιό είχε ήδη χάσει την πρωτιά της ανακάλυψης του νετρονίου, γι'αυτό και λυπήθηκε αρκετά και με την απώλεια της πρωτιάς του ποζιτρονίου.