100 χρόνια από τη γέννηση του Cecil Powell που ανακάλυψε το πιόνιο

Από την ιστοσελίδα του Nature, 5 Δεκεμβρίου 2003

Ο Άγγλος φυσικός Cecil Powell, που κέρδισε το Νόμπελ Φυσικής το 1950 όχι μόνο για την ανακάλυψη του πιονίου αλλά και για την μέθοδο που χρησιμοποίησε καθώς και για το ξεκίνημα ενός νέου πεδίου της φυσικής, γεννήθηκε πριν από εκατό χρόνια, στις 5 Δεκεμβρίου του 1903.

Κατά τη διάρκεια του δεύτερου παγκόσμιου πολέμου, ο Powell ανέπτυξε μια νέα τεχνική για να γράφει τις τροχιές των σωματιδίων πάνω στο φωτογραφικό φιλμ. Αυτό τον οδήγησε να βρει, μαζί με τους συναδέλφους του στο Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ, ένα νέο σωματίδιο, το μεσόνιο π, ή πιόνιο, το 1947.

Η καριέρα του Powell μας βοηθάει να καταλάβουμε γιατί οι αρχικοί φυσικοί σωματιδίων προέρχονταν συχνά από άλλα πεδία και από ασυνήθιστες κατευθύνσεις. Η αρχική επιστημονική εργασία του ήταν πάνω στην συμπύκνωση του ατμού, και το 1936 ήταν σεισμολόγος σε μια γεωλογική αποστολή στις Δυτικές Ινδίες.

Ξεκίνησε τη φωτογραφία μόνο όταν άρχισε να μελετά τις κοσμικές ακτίνες - τα πολύ ενεργητικά σωματίδια που έρχονται από το διάστημα - στο Μπρίστολ προς το τέλος της δεκαετίας του '30.

Η φωτογραφία τελειώνει

Όταν ένα ηλεκτρικά φορτισμένο σωματίδιο περνά μέσω ενός φωτογραφικού γαλακτώματος, ενεργοποιεί το άλας του αργύρου που χρησιμοποιείται για την εμφάνιση. Επομένως, η τροχιά του σωματιδίου εμφανίζεται ως μια σκοτεινή γραμμή πάνω στο φιλμ. Αυτό ήταν ήδη γνωστό από τη δεκαετία του '30, αλλά οι περισσότεροι φυσικοί μελετώντας τα σωματίδια υψηλής ενέργειας προτιμούσαν τους ανιχνευτές του θαλάμου νεφώσεως, στους οποίους τα σωματίδια αφήνουν ένα ίχνος μικροσκοπικών σταγονιδίων σε ένα υπερκορεσμένο αέριο.

Το Powell έπεισε τους άλλους ότι η φωτογραφική μέθοδος ήταν αξιόπιστη και συχνά καταλληλότερη από ό,τι οι θάλαμοι νέφωσης. Το 1946 αυτός και οι συνεργάτες του άρχισαν να βρίσκουν όλα τα είδη νέων και  παράξενων σωματιδίων πάνω στις πλάκες του φιλμ, επισημαίνοντας τις τροχιές των σωματιδίων που παράγονται όταν συγκρούονται οι κοσμικές ακτίνες με τα σωματίδια στην ατμόσφαιρα.

Ένα από τα πιο εξωτικά σωματίδια ήταν ένα αρνητικά φορτισμένο σωματίδιο, εκατοντάδες φορές βαρύτερο από το ηλεκτρόνιο. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια, τα σωματίδια των πυρήνων, έχουν περίπου 2.000 φορές τη μάζα του ηλεκτρονίου.

Μεσόνιο π και μιόνιο

Το σωματίδιο που ανακάλυψε η ομάδα του Powell ήταν ένα μεσόνιο - που για πρώτη φορά βρέθηκε το 1937 στα πειράματα του θαλάμου νεφώσεως. Το 1947 όμως ο Powell, που δούλευε με τον Giuseppe Occhialini, τον Hugh Muirhead και τον Cesare Lattes στο Μπρίστολ, είδε κάτι ακόμα πιο αξιοπρόσεκτο: ένα μεσόνιο φάνηκε να σταματά σε ένα σημείο της τροχιάς του και να γεννά ένα άλλο είδος μεσονίου.

Η ομάδα του Powell ονόμασε το πρώτο μεσόνιο πιόνιο ή π και το δεύτερο μεσόνιο μιόνιο. Το μιόνιο βρέθηκε να είναι όπως τα μεσόνια που είχαν φανεί λίγο πριν. Αλλά το πιόνιο ήταν κάτι νέο: ένα σωματίδιο με μάζα περίπου 1,3 φορές μεγαλύτερη από το μιόνιο.

Στην πραγματικότητα, το πιόνιο ήταν το ίδιο το σωματίδιο που είχε προβλεφθεί 12 χρόνια νωρίτερα από τον Ιάπωνα φυσικό Hideki Yukawa. Είναι ο φορέας της ισχυρής πυρηνικής δύναμης που δεσμεύει τα πρωτόνια και τα νετρόνια μαζί μέσα στους πυρήνες - τη μία από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης.

Η ύπαρξη μιας οικογένειας μεσονίων επιβεβαίωσε ότι υπάρχουν κι άλλα μέλη του υποατομικού κόσμου εκτός από τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια, που είναι τα πιο γνωστά σωματίδια της ατομικής φυσικής.