С днем рождения, позитрон!

Открытие, сделанное Карлом Андерсоном в  «туманной комнате», продолжает оставлять свои следы и 80 лет спустя.

Ровно 80 лет назад, 15 марта 1933 года, журнал Physical Review опубликовал статью физика Карла Андерсона об открытии позитрона. Как известно, позитрон является точной копией электрона, но при этом принадлежит миру антиматерии. Обе частицы имеют идентичные массы, но противоположные электрические заряды. Их взаимное притяжение всегда заканчивается разрушительной вспышкой аннигиляции с мощным выбросом двух и более гамма-квантов, уносящих с собой всю энергию столкнувшейся пары.

В начале 1930-х годов Андерсон и его руководитель Роберт Милликен для измерения энергии недавно открытых космических лучей использовали камеру Вильсона (англ. cloud chamber - конденсационная камера или буквально «туманная комната»). Герметичная полость такой камеры заполнена перенасыщенными парами воды или спирта, так что при отсутствии центров конденсации газообразная фаза настороженно пребывает в неустойчивом равновесии. Быстрая заряженная частица, преодолевая полость, тратит часть своей энергии на взаимодействие с веществом и оставляет за собой цепочку следов в виде ионизированного газа. Это нарушает неустойчивую идиллию газообразной фазы, ионы становятся центрами конденсации перенасыщенного пара, и в камере отчетливо проявляется след пролетевшей частицы. Поместив такую камеру в магнитное поле, физики получают возможность определить заряд частицы по радиусу и направлению оставленного ею трека (от англ. track [træk] - след, дорожка), поскольку положительные и отрицательные заряды прочерчивают дуги окружности, направленные в разные стороны от точки входа в камеру.

В августе 1932 года Андерсон заснял трек, который соответствовал частице с массой электрона, но имевшей при этом противоположный заряд. Не поверив своим глазам, Андерсон решил, что след все же был оставлен электроном, который каким-то образом пересек камеру, двигаясь в обратном направлении. Интересно отметить, что несколькими годами ранее советский физик-экспериментатор, специалист в области космических излучений и физики высоких энергий Дмитрий Владимирович Скобельцын также во время своих исследований замечал странные треки от как будто бы движущихся в обратную сторону электронов. Однако, на тот момент наш физик был поглощен исследованиям релятивистских частиц как результата прохождения космических лучей через атмосферу, так что загадка о природе странных треков осталась в стороне, и открытие не состоялось.

Андерсон же решил исследовать вопрос до конца. Дабы исключить возможность «попятного» движения электронов и разобраться с направлением движения проходящих сквозь камеру частиц, он добавил свинцовый экран, пересекающий камеру вдоль ее диаметра. При прохождении сквозь такой экран энергия и скорость частиц существенно падали, что немедленно отражалось на кривизне траектории движения. Проведя необходимые эксперименты, определив потери энергии на свинцовом экране и длину трека за ним, Андерсон раcсчитал верхний предел массы этой положительно заряженной частицы. Величина этого предела по порядку величины совпала с массой электрона.

Таким образом стало ясно, что Андерсон действительно обнаружил новую частицу. Назвав ее позитроном, он направил статью в журнал Physical Review, который 15 марта 1933 года опубликовал результаты его исследований. Научное сообщество поначалу встретило информацию об открытии с недоверием. Однако, позитрон Андерсона подходил на роль предсказанного в 1931 году Полем Дираком антиэлектрона, а в марте 1933 года Патрик Блэкетт и Джузеппе Оккиалини получили ясные подтверждения результатов Андерсона, так что очень скоро позитрон был признан первой известной науке античастицей - антиэлектроном.

Сегодня позитроны активно используются в физике частиц и за ее пределами. С их помощью исследуют другие элементарные частицы, сталкивая на околосветовых скоростях с электронами на электрон-позитронных коллайдерах. Крупнейшей такой установкой был Большой электрон-позитронный коллайдер, предшественник Большого адронного коллайдера в ЦЕРН. Также позитроны являются ключевым элементом позитронно-эмиссионных томографов, используемых для создания трехмерных изображений процессов, происходящих в теле человека.

Прошло 80 лет, но открытие Карла Андерсона по-прежнему продолжает оставлять свои следы.

Литература:

1. The positive electron by Carl Anderson, Physical Review 13 March 1933, vol. 43, p. 491.

2. Cowan, Eugene (1982) The Picture That Was Not Reversed. Engineering and Science, 46 (2). pp. 6-28. ISSN 0013-7812.

Рис. 1. Движение позитрона и электрона в камере Вильсона, образованных при взаимодействии гамма-кванта (не оставляющего видимого следа) с ядром свинца в свинцовом экране, перегораживающем камеру.

Рис. 2. Снимок трека позитрона в камере Вильсона, сделанный Карлом Андерсеном. Заметно изменение радиуса кривизны траектории после прохождения свинцовой пластины, расположенной поперек траектории позитрона в центре снимка.

Рис. 3. Карл Андерсон настраивает фотокамеру для записи треков в камере Вильсона.

Рис. 4. ПЭТ снимок организма женщины перед применением лучевой терапии. Иллюстрация: Jens Langner