Antiteilchen • James Trefil, Encyclopedia "Zweihundert Gesetze des Universums"

Antiteilchen

In den 1920er Jahren, nach der Einführung der Prinzipien der Quantenmechanik, schien die subatomare Welt extrem einfach zu sein. Nur zwei Arten von Elementarteilchen – Protonen und Neutronen – bildeten den Kern eines Atoms (obwohl experimentell die Existenz von Neutronen erst in den 1930er Jahren bestätigt wurde), und eine Art von Teilchen – Elektronen – existierte außerhalb des Kerns und rotierte in Umlaufbahnen um ihn herum. Es schien, dass die gesamte Vielfalt des Universums aus diesen drei Teilchen aufgebaut war.

Leider war solch ein einfaches Bild der Welt dazu bestimmt, lange zu überleben. Wissenschaftler, die Höhenlabore in der ganzen Welt ausgerüstet haben, begannen, die Zusammensetzung der kosmischen Strahlen zu untersuchen, die unseren Planeten bombardieren (sehen Elementarteilchen) und begann bald alle Arten von Teilchen zu öffnen, die keine Beziehung zu dem oben beschriebenen idyllischen Dreiklang haben. Insbesondere wurden in der Natur völlig undenkbar gefunden Antiteilchen.

Die Welt der Antiteilchen ist eine Art Spiegelbild der uns vertrauten Welt. Die Masse des Antiteilchens entspricht genau der Masse des Teilchens, mit der es zu korrespondieren scheint, aber alle anderen Eigenschaften sind dem Prototyp entgegengesetzt. Zum Beispiel trägt ein Elektron eine negative elektrische Ladung, und sein Antiteilchenpaar ist "Positron" (abgeleitet von "positivem Elektron") – positiv.Die Protonladung ist positiv, während das Antiproton negativ geladen ist. Usw. Wenn ein Teilchen mit seinem Antiteilchen-Paar in Wechselwirkung tritt, vernichten sie sich gegenseitig – beide Teilchen hören auf zu existieren und ihre Masse wird in Energie umgewandelt, die im Raum in Form eines Blitzes von Photonen und anderen ultraleichten Teilchen gestreut wird.

Die Existenz von Antiteilchen wurde erstmals von Paul Dirac in einem von ihm 1930 veröffentlichten Artikel vorhergesagt. Um zu verstehen, wie sich Teilchen und Antiteilchen bei der Interaktion nach Dirac verhalten, stellen Sie sich ein gerades Feld vor. Wenn Sie eine Schaufel nehmen und ein Loch graben, erscheinen zwei Objekte auf dem Feld – das Loch selbst und ein Haufen Erde daneben. Stellen Sie sich nun vor, dass ein Erdhügel ein normales Teilchen ist, und das Loch oder "das Fehlen eines Erdhaufens" ein Antiteilchen ist. Füllen Sie das Loch mit dem zuvor extrahierten Boden – und es wird kein Loch oder Pfahl (analog zum Vernichtungsprozess) sein. Und wieder hast du ein flaches Feld.

Während Theoretisierung um Antiteilchen herum vorging, montierte der junge Experimentalphysiker am Caltech Carl David Anderson (Carl David Anderson, 1905-91) die Ausrüstung eines astrophysikalischen Labors auf Pike in Colorado, um kosmische Strahlung zu studieren. Arbeiten unter der Leitung von Robert Milliken (sehen Erfahrung Milliken), kam er auf die Installation für die Registrierung von kosmischen Strahlen, bestehend aus einem Ziel in einem starken Magnetfeld platziert. Durch Beschuss des Targets verließen die Partikel Spuren von Kondensattröpfchen in der Kammer um das Target herum, die fotografiert werden konnten, und untersuchten anhand der erhaltenen Fotografien die Flugbahnen der Partikel.

Mit Hilfe dieses Geräts, genannt KondensationskammerAnderson konnte Partikel, die aus der Kollision von kosmischen Strahlen mit einem Ziel resultierten, registrieren. Durch die Intensität der vom Teilchen zurückgelassenen Spur konnte er seine Masse und die Art der Abweichung seiner Flugbahn in einem Magnetfeld beurteilen – um die elektrische Ladung des Teilchens zu bestimmen. Bis 1932 konnte er eine Reihe von Kollisionen registrieren, die Teilchen mit einer der Elektronenmasse entsprechenden Masse ergaben, die jedoch unter dem Einfluss eines Magnetfeldes in die entgegengesetzte Richtung als das Elektron abgelenkt wurden und daher eine positive elektrische Ladung aufwiesen. Dies war das erste Mal das experimentell nachgewiesene Antiteilchen – das Positron. Im Jahr 1932 veröffentlichte Anderson die Ergebnisse, und im Jahr 1936 erhielt er die Hälfte des Nobelpreises für Physik.(Die zweite Hälfte des Preises wurde dem österreichischen Experimentalphysiker Victor Franz Hess (Victor Franz Hess, 1883-1964) verliehen, der erstmals experimentell die Existenz der kosmischen Strahlung bestätigte. Hinweis Übersetzer.) Dies war der erste (und bisher letzte) Fall, in dem der Nobelpreis an einen Wissenschaftler vergeben wurde, der zu dieser Zeit noch nicht einmal offiziell Mitglied seiner Universität war!

Obwohl das obige Beispiel im Rahmen der in der Einleitung beschriebenen wissenschaftlichen Methode als Idealbeispiel für das Szenario "Vorhersage – Verifikation" erscheint, scheint die historische Realität nicht so einfach zu sein, wie es scheint. Tatsache ist, dass Anderson offenbar vor seiner experimentellen Entdeckung nichts über die Veröffentlichung von Dirac wusste. In diesem Fall ist es eher eine simultane theoretische und experimentelle Entdeckung des Positrons.

Alle Antiteilchen, die dem Positron folgten, wurden experimentell bereits unter Laborbedingungen – an Beschleunigern – nachgewiesen. Heute haben Experimentalphysiker die Fähigkeit, sie buchstäblich in die richtigen Mengen für aktuelle Experimente zu stempeln, und Antiteilchen wurden lange Zeit nicht als etwas Außergewöhnliches betrachtet.

Siehe auch:

1917, 1934Nukleare Desintegration und Synthese
1957Lawson-Kriterium

Paul Adrian Moris DIRAC
Paul Adrian Maurice Dirac, 1902-84

Britischer theoretischer Physiker. Geboren in Bristol in einer Familie von Einwanderern aus der Schweiz. Diracs Vater lehrte Französisch in seiner neuen Heimat und wollte den Geschichten zufolge nicht anders mit seinem Sohn sprechen als in ihrer Muttersprache Französisch: daher wahrscheinlich das Schweigen, das Paul Dirac sein ganzes Leben lang geprägt hatte. Im Jahr 1921 absolvierte Dirac das Bristol Electrotechnical Institute (jetzt die Universität von Bristol), wonach er Mathematik und Physik in Cambridge studierte, wo er 1926 seinen Doktortitel erhielt und sechs Jahre später Honorarprofessor für Mathematik wurde – und diesen prestigeträchtigen Posten fast innehatte vierzig Jahre. Noch vor der Verteidigung seiner Dissertation gelang Dirac eine Reihe wichtiger Artikel zur Quantenmechanik.

Im Jahr 1928 veröffentlichte Dirac eine Arbeit, die das Verhalten eines Elektrons durch die Kombination der Prinzipien der Relativitätstheorie und der Quantenmechanik erklärt. In dieser Arbeit wurde die Existenz von Antiteilchen vorausgesagt, und dafür erhielt Dirac etwas später im Jahre 1933 den Nobelpreis für Physik, den er mit Erwin Schrödinger teilte.


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