Для всякой известной элементарной частицы имеется вероятность найти античастицу — то есть частицу с той же массой, но противоположными другими физическими характеристиками.
В 1920-е годы — после введения принципов квантовой механики — субатомный мир представлялся крайне простым. Всего два вида элементарных частицы — протоны и нейтроны — составляли ядро атома (хотя экспериментально существование нейтронов и было подтверждено лишь в 1930-е годы), и один вид частиц — электроны — существовали за пределами ядра, вращаясь вокруг него на орбитах. Казалось, всё многообразие Вселенной выстроено из этих трех частиц.
РЈРІС‹, столь простой картине РјРёСЂР° суждено было просуществовать недолго. Ученые, оборудовав высокогорные лаборатории РїРѕ всему РјРёСЂСѓ, принялись Р·Р° изучение состава космических лучей, бомбардирующих нашу планету (СЃРј. Рлементарные частицы), Рё РІСЃРєРѕСЂРµ начали открывать всевозможные частицы, РЅРµ имеющие РЅРё малейшего отношения Рє вышеописанной идиллической триаде. Р’ частности, были обнаружены совершенно немыслимые РїРѕ своей РїСЂРёСЂРѕРґРµ античастицы.
Мир античастиц — своего рода зеркальное отражение знакомого нам мира. Масса античастицы в точности равняется массе частицы, которой она вроде бы соответствует, но все её остальные характеристики противоположны прообразу. Например, электрон несёт отрицательный электрический заряд, а парная ему античастица — «позитрон» (производное от «позитивный электрон») — положительный. У протона заряд положительный, а у антипротона — отрицательный. Ртак далее. При взаимодействии частицы и парной ей античастицы происходит их взаимная аннигиляция — обе частицы прекращают свое существование, а их масса преобразуется в энергию, которая рассеивается в пространстве в виде вспышки фотонов и прочих сверхлегких частиц.
Существование античастиц впервые предсказал Поль Дирак в статье, опубликованной им в 1930 году. Чтобы понять, как ведут себя частицы и античастицы при взаимодействии по Дираку, представьте себе ровное поле. Если взять лопату и вырыть в нём ямку, в поле появятся два объекта - собственно ямка и кучка грунта рядом с ней. Теперь представим, что кучка грунта — это обычная частица, а ямка, или «отсутствие кучки грунта», — античастица. Засыпьте ямку ранее извлеченным из неё грунтом — и не останется ни ямки, ни кучки (аналог процесса аннигиляции). Рснова перед вами ровное поле.
Пока шло теоретизирование вокруг античастиц, молодой физик-экспериментатор из Калифорнийского технологического института Карл Дейвид Андерсон (Carl David Anderson) (1905–1991) монтировал оборудование астрофизической лаборатории на вершине Пайк в штате Колорадо, намереваясь заняться изучением космических лучей. Работая под руководством Роберта Милликена (см. Опыт Милликена), он придумал установку для регистрации космических лучей, состоящую из мишени, помещенной в мощное магнитное поле. Бомбардируя мишень, частицы оставляли в камере вокруг мишени треки из капелек конденсата, которые можно было сфотографировать и по полученным фотографиям изучать траектории движения частиц.
РџСЂРё помощи этого аппарата, получившего название конденсационная камера, Андерсон СЃРјРѕРі зарегистрировать частицы, возникающие РІ результате столкновения космических лучей СЃ мишенью. РџРѕ интенсивности трека, оставленного частицей, РѕРЅ РјРѕРі судить Рѕ ее массе, Р° РїРѕ характеру отклонения ее траектории РІ магнитном поле — определить электрический заряд частицы. Рљ 1932 РіРѕРґСѓ ему удалось зарегистрировать СЂСЏРґ столкновений, РІ результате которых образовывались частицы СЃ массой, равной массе электрона, однако отклонялись РѕРЅРё РїРѕРґ воздействием магнитного поля РІ противоположную сторону РїРѕ сравнению СЃ электроном Рё, следовательно, имели положительный электрический заряд. Так была впервые экспериментально выявлена античастица — позитрон. Р’ 1932 РіРѕРґСѓ Андерсон опубликовал полученные результаты, Р° РІ 1936 РіРѕРґСѓ был отмечен Р·Р° РЅРёС… половиной Нобелевской премии РїРѕ физике. (Вторую половину премии получил австрийский физик-экспериментатор Виктор Франц Гесс (Victor Franz Hess) (1883–1964), впервые экспериментально подтвердивший существование космических лучей. — РџСЂРёРј. переводчика.) Рто был первый (Рё, РїРѕРєР° что, последний) случай присуждения Нобелевской премии ученому, официально даже РЅРµ числившемуся РЅР° тот момент РІ штате научных сотрудников своего университета!
Хотя вышеописанный пример, казалось бы, служит идеальной иллюстрацией сценария «предсказание - проверка» в рамках научного метода, описанного во Введении, историческая реальность представляется не столь простой, как кажется. Дело в том, что Андерсон, судя по всему, не знал о публикации Дирака абсолютно ничего до своего экспериментального открытия. Так что в данном случае речь идёт, скорее, об одновременном теоретическом и экспериментальном открытии позитрона.
Все следующие за позитроном античастицы были экспериментально обнаружены уже в лабораторных условиях — на ускорителях. Сегодня физики-экспериментаторы имеют возможность буквально штамповать их в нужных количествах для текущих экспериментов, и чем-то из ряда вон выходящим античастицы давно не считаются.
Список литературы
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://elementy.ru/