Sierpień 1932: Odkrycie pozytonu
Anderson’s cloud chamber picture of cosmic radiation from 1932 showing for the first time the existence of the anti-electron. Cząstka wchodzi od dołu, uderza w płytkę ołowianą w środku i traci energię, co widać po większym zakrzywieniu górnej części toru.
Twórca Star Treka Gene Roddenberry włączył wiele rzeczywistej nauki do tego, co stało się jedną z najbardziej udanych franczyz serialowych wszech czasów. Jednym z nich są silniki na materię/antymaterię, które napędzają Enterprise, umożliwiając mu rzekomo podróżowanie z prędkością większą niż prędkość światła.
W 1928 roku brytyjski fizyk Paul Dirac wykazał, że względność Einsteina implikuje, iż każda cząstka we wszechświecie ma odpowiadającą jej antycząstkę, każda o tej samej masie co jej bliźniaczka, ale o przeciwnym ładunku elektrycznym.
Rozpoczęło się polowanie na eksperymentalną weryfikację tej hipotezy; postdoc z Caltech, Carl D. Anderson, wygrałby ten wyścig.
Anderson urodził się w 1905 roku w Nowym Jorku, w rodzinie szwajcarskich rodziców. Kiedy miał 7 lat, rodzina przeniosła się do Los Angeles, a jego rodzice rozwiedli się wkrótce potem. Anderson w bardzo młodym wieku pomagał w utrzymaniu rodziny, ale mimo to udało mu się zdobyć wykształcenie wyższe na Caltech. Początkowo zamierzał studiować elektrotechnikę, ale po odbyciu szczególnie inspirujących zajęć z tego przedmiotu wybrał fizykę. Ostatecznie uzyskał tytuł doktora inżynierii fizycznej (obecnie znanej jako fizyka stosowana) w Caltech.
Anderson spędził większość swojej kariery w Caltech. Jego wczesne badania dotyczyły promieniowania rentgenowskiego, ale potem Victor Hess odkrył promienie kosmiczne w 1930 roku. Za radą swojego mentora, Roberta A. Millikana, Anderson skierował swoją uwagę na badanie tych wysokoenergetycznych cząstek. Większość naukowców robiła to za pomocą komór chmurowych: krótkiego cylindra ze szklanymi płytami końcowymi zawierającego gaz nasycony parą wodną. Jeśli jonizująca cząstka przechodzi przez komorę, pozostawia ślad w postaci kropel wody, które można sfotografować. Mierząc gęstość kropelek, naukowcy mogą wywnioskować, ile jonizacji zostało wytworzonej – wskazując rodzaj cząstki, która przeszła przez komorę.
Anderson zbudował własną, ulepszoną wersję komory chmurowej, zawierającą tłok, dzięki któremu mógł uzyskać bardzo szybki spadek ciśnienia. W komorze zastosował również mieszaninę wody i alkoholu. I uzyskał znacznie lepsze zdjęcia niż jego koledzy. Otoczył swoją komorę dużym elektromagnesem, który powodował, że drogi cząstek jonizujących zakrzywiały się w koliste ścieżki. Mierząc krzywiznę tych ścieżek, mógł obliczyć pęd cząstek i określić znak ich ładunku.
Zdjęcia, które powstały, zaskoczyły Andersona, ujawniając, że promienie kosmiczne produkowały strumienie zarówno dodatnio, jak i ujemnie naładowanych cząstek, a ładunki dodatnie nie mogły być protonami, jak można by się spodziewać, ponieważ promień ścieżki określałby odległość zatrzymania protonu znacznie krótszą niż długość ścieżki.
Anderson i Millikan spekulowali, że być może dodatnio naładowane cząstki to elektrony podróżujące w przeciwnym kierunku.
Aby sprawdzić tę hipotezę, Anderson umieścił w komorze płytkę ołowianą. Kiedy cząstki przechodziły przez płytkę, wyłaniały się z drugiej strony przy niższej energii niż na początku, więc można było wydedukować kierunek ich podróży.
W sierpniu 1932 roku Anderson zarejestrował historyczne zdjęcie dodatnio naładowanego elektronu (obecnie znanego jako pozyton) przechodzącego przez płytkę ołowianą w komorze chmur. Była to z pewnością dodatnio naładowana cząstka, która poruszała się w górę.
Pomimo początkowego sceptycyzmu społeczności naukowej, wynik Andersona został potwierdzony w następnym roku, a naukowcy doszli do wniosku, że pozyton był jedną z par dodatnich i ujemnych elektronów powstałych w wyniku przemiany promienia gamma w materię.
Jego odkrycie przyniosło Andersonowi Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1936 roku, w wieku 31 lat – najmłodszej osobie, która została w ten sposób uhonorowana. Antyprotony – protony o ładunku ujemnym zamiast zwykłego dodatniego – zostały odkryte przez naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley w 1955 r., a antyneutron odkryto w następnym roku. Minęło kolejne 30 lat, zanim naukowcy stworzyli pierwsze antyatomy.
W 1995 r. badacze z CERN-u użyli pierścienia niskoenergetycznych antyprotonów (LEAR), aby spowolnić, a nie przyspieszyć antyprotony. W ten sposób udało im się połączyć pozytony i antyprotony w pary, wytwarzając dziewięć antyatomów wodoru, z których każdy trwał zaledwie 40 nanosekund.
W ciągu trzech lat grupa z CERN produkowała aż 2000 antyatomów wodoru na godzinę.
To wciąż za mało, aby uzyskać praktyczny napęd antymaterii. Potrzeba ton antyprotonów, aby podróżować do celów międzygwiezdnych, jednak ośrodek CERN produkuje tylko tyle antyprotonów w ciągu jednego roku, aby zapalić 100-watową żarówkę na trzy sekundy. I to nie biorąc pod uwagę ogromnych ilości energii potrzebnych do zasilenia intensywnych wiązek, które wytwarzają antyprotony.
Niemniej jednak w 2000 roku naukowcy NASA ogłosili wczesne projekty silnika na antymaterię, który mógłby być w stanie zasilić statek kosmiczny w podróż na Marsa, używając tylko milionowej części grama antymaterii.
Pozyton znalazł jedno użyteczne zastosowanie: pozytonową tomografię emisyjną (PET). Ta technika obrazowania medycznego wykorzystuje niskoenergetyczne anihilacje elektronów i pozytonów do obrazowania wewnętrznej pracy mózgu, wstrzykując radioaktywne jądra pacjentowi i obserwując powstałe pary promieni gamma. Wytworzona energia jest niewystarczająca do utworzenia nawet najlżejszej cząstki i antymaterii i zamiast tego pojawia się jako dwa promienie gamma.