Antiproton
Az antiproton a proton antirészecskéje, egy antibarion. A pozitron után ez volt a második antirészecske, amelynek létezését megjósolták, és ezt is Dirac jósolta meg 1933-ban, amikor a fizikai Nobel-díjat kapta Erwin Schrödingerrel megosztva „az atomelmélet új hatékony formáinak felfedezéséért”.

Megjóslása 

A Heisenberg és Schrödinger által adott kvantummechanikai formulizmus, a mátrixmechanika és a Schrödinger-egyenlet jól leírta a lassan mozgó részecskék viselkedését, de nem volt összhangban a speciális relativitáselmélettel. Dirac 1928-ban alkotta meg a Dirac-egyenletet, amely megoldotta ezt a kérdést, és kiterjesztette a kvantummechanikai leírást a gyorsan mozgó részecskékre is. Kétségek fogadták azonban egyenletét, amelynek negatív energiájú megoldásai is voltak. Dirac ezt a problémát úgy oldotta meg, hogy feltételezte, ezek a negatív állapotok mind be vannak töltve – róla ezt Dirac-tengernek hívták mások –, és ezek az egyenletes betöltés miatt megfigyelhetetlenek számunkra. Ha viszont egy állapot nincs betöltve, akkor ez a hiány már megfigyelhető, mint pozitív energiájú, ellentétes töltésú részecske, amelyet Dirac „tükörképnek” nevezett. A kétségek 1932-ben, a pozitron felfedezésével csillapodtak le. A pozitron ellentétes töltésétől eltekintve minden tulajdonságában az elektronnal egyezett meg, pontosan olyan volt, mint a Dirac által jósolt tükörkép. Dirac a töltésnek a természetben való kiegyenlítettsége miatt arra gondolt, hogy ha az elektronnak van tükörképe a pozitron képében, akkor a protonnak is kell lennie.

Felfedezése 

A pozitront Anderson a ködkamrára ható kozmikus sugárzásban fedezte fel 1932-ben. Az antiproton keltése a három nagyságrenddel nagyobb tömeg és a kozmikus sugárzás–ködkamra kölcsönhatás kis luminozitása miatt lehetetlennek látszott az ehhez szükséges hosszú idő miatt. Olyan gyorsítóra volt szükség, amelyik elég nagy energiájú és intenzitású nyalábot tud előállítani. A labor rendszerben szükséges energia nagyságát a tömegközépponti energia függvényében a következő képlet határozza meg:

Ebből könnyen kiszámolható, hogy protonok ütköztetése esetén ahhoz, hogy még egy proton–antiproton párt keltsünk, legalább 6,5 GeV/c² energiájú protonokat kell álló protonokra (anyagdarabra) ejteni.

Ez tehát az elektronvolt milliárdszorosának meghaladását követelte meg, amelyet ma GeV-nek (giga) hívunk, de az akkor amerikai szóhasználattal BeV-nek hívták (billion electron volt). Innen származik a tervezett gyorsító, a Bevatron neve. Ez egy szinkrotron volt Ernest Lawrence intézetében, a Kaliforniai Egyetem Sugárzási Laboratóriumában, Berkeleyben, amely az egyetem berkeleyi kampusza mellett található és amelyet ma Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratóriumnak hívnak. A gyorsító 1954-re készült el. 

Lawrence és közeli kollégája, Edwin McMillan – akivel együtt dolgozta ki a szinkrotron elvét – két csoportot állított fel az antiproton keresésére. Az egyiket Emilio Segrè és Owen Chamberlain, a másikat Edward Lofgren vezette. A Bevatron protonnyalábját egy réztömbbel ütköztették, ahol a keletkezett részecskék közül várhatóan minden 40 ezredik volt antiproton. Ezek kiválogatása volt ezután az igazi feladat.

A Segrè–Chamberlain csoport úgy határozott, hogy ehhez a részecskék impulzusát és sebességét fogja mérni. Oreste Piccioni javaslatára – aki ekkor a kavadrupóllencsék és nyalábextrahálás szakértőjeként a Brookhaveni Nemzeti Laboratóriumban tartózkodott – egy mágneses kvadrupóllencse-rendszert állítottak fel, amelyen csak egy bizonyos impulzusablakba eső negatív részecskék jutottak túl. A sebesség mérésése szcintillációs számlálókat és két Cserenkov-detektort használtak. A vizsgált impulzusablakban a két szcintillációs számlálócsoport közötti 12 méteren a repülési idő negatív pionok esetén 11 ns, antiprotonok esetén 51 ns volt. Két pion ugyanakkor tudta magát egy antiprotonnak álcázni, de ezeket a Cserenkov-detektorok szűrték ki.

A repülési idővel kapcsolatos méréssel szoros kapcsolatban Gerson Goldhaber (Berkeley) és Edoardo Amaldi (Róma) ezüstbromid-emulziós kísérletben figyelte meg az antiprotonok annihilációját, amelyeknek csillagszerű eseményekként kellett megjelenniük az emulzióban.

1955. szeptember 21-én Lofgren csoportja 4 napos futást kezdett volna, de átadták idejüket a másik csoportnak. Ezen a napon egy 7 órás futás alatt Segrè és Chamberlain 60 antiprotont számlált meg. Az emulziók ezután történt átvizsgálása megerősítette a felfedezést.

1959-ben Segrè és Chamberlain fizikai Nobel-díjat kaptak „az antiproton felfedezéséért”.

Antiproton-gyorsítók 

Tudományos továbblépést jelentett, amikor antiprotonokat már nemcsak kelteni, hanem azokat a protonokhoz és elektronokhoz hasonlóan felhalmozni és gyorsítani-lassítani is tudták. A CERN-ben ilyen „lassító” volt a LEAR – előgyorsítóival az antiprotongyűjtővel és antiproton-felhalmozóval –, amely a mezonspektroszkópia területén tett lehetővé fontos kísérleteket. A CERN-ben ma működik az antiproton-lassító, amely antianyag-kutatásokat tesz lehetővé.

Jegyzetek

Források

További információk 
 

Barionok
Az antiproton a proton antirészecskéje , egy antibarion . A pozitron után ez volt a második antirészecske , amelynek létezését megjósolták , és ezt is Dirac jósolta megban , amikor a fizikai Nobel-díjat kapta Erwin Schrödingerrel megosztva „ az atomelmélet új hatékony formáinak felfedezéséért” . Megjóslása A Heisenberg és Schrödinger által adott kvantummechanikai formulizmus , a mátrixmechanika és a Schrödinger-egyenlet jól leírta a lassan mozgó részecskék viselkedését , de nem volt összhangban a speciális relativitáselmélettel . Diracban alkotta meg a Dirac-egyenletet , amely megoldotta ezt a kérdést , és kiterjesztette a kvantummechanikai leírást a gyorsan mozgó részecskékre is . Kétségek fogadták azonban egyenletét , amelynek negatív energiájú megoldásai is voltak . Dirac ezt a problémát úgy oldotta meg , hogy feltételezte , ezek a negatív állapotok mind be vannak töltve – róla ezt Dirac-tengernek hívták mások – , és ezek az egyenletes betöltés miatt megfigyelhetetlenek számunkra . Ha viszont egy állapot nincs betöltve , akkor ez a hiány már megfigyelhető , mint pozitív energiájú , ellentétes töltésú részecske , amelyet Dirac „ tükörképnek” nevezett . A kétségekben , a pozitron felfedezésével csillapodtak le . A pozitron ellentétes töltésétől eltekintve minden tulajdonságában az elektronnal egyezett meg , pontosan olyan volt , mint a Dirac által jósolt tükörkép . Dirac a töltésnek a természetben való kiegyenlítettsége miatt arra gondolt , hogy ha az elektronnak van tükörképe a pozitron képében , akkor a protonnak is kell lennie . Felfedezése A pozitront Anderson a ködkamrára ható kozmikus sugárzásban fedezte felben . Az antiproton keltése a három nagyságrenddel nagyobb tömeg és a kozmikus sugárzás–ködkamra kölcsönhatás kis luminozitása miatt lehetetlennek látszott az ehhez szükséges hosszú idő miatt . Olyan gyorsítóra volt szükség , amelyik elég nagy energiájú és intenzitású nyalábot tud előállítani . A labor rendszerben szükséges energia nagyságát a tömegközépponti energia függvényében a következő képlet határozza meg : Ebből könnyen kiszámolható , hogy protonok ütköztetése esetén ahhoz , hogy még egy proton–antiproton párt keltsünk , legalább5 GeV/c² energiájú protonokat kell álló protonokra ( anyagdarabra ) ejteni . Ez tehát az elektronvolt milliárdszorosának meghaladását követelte meg , amelyet ma GeV-nek ( giga ) hívunk , de az akkor amerikai szóhasználattal BeV-nek hívták ( billion electron volt ) . Innen származik a tervezett gyorsító , a Bevatron neve . Ez egy szinkrotron volt Ernest Lawrence intézetében , a Kaliforniai Egyetem Sugárzási Laboratóriumában , Berkeleyben , amely az egyetem berkeleyi kampusza mellett található és amelyet ma Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratóriumnak hívnak . A gyorsítóre készült el . Lawrence és közeli kollégája , Edwin McMillan – akivel együtt dolgozta ki a szinkrotron elvét – két csoportot állított fel az antiproton keresésére . Az egyiket Emilio Segrè és Owen Chamberlain , a másikat Edward Lofgren vezette . A Bevatron protonnyalábját egy réztömbbel ütköztették , ahol a keletkezett részecskék közül várhatóan mindenezredik volt antiproton . Ezek kiválogatása volt ezután az igazi feladat . A Segrè–Chamberlain csoport úgy határozott , hogy ehhez a részecskék impulzusát és sebességét fogja mérni . Oreste Piccioni javaslatára – aki ekkor a kavadrupóllencsék és nyalábextrahálás szakértőjeként a Brookhaveni Nemzeti Laboratóriumban tartózkodott – egy mágneses kvadrupóllencse-rendszert állítottak fel , amelyen csak egy bizonyos impulzusablakba eső negatív részecskék jutottak túl . A sebesség mérésése szcintillációs számlálókat és két Cserenkov-detektort használtak . A vizsgált impulzusablakban a két szcintillációs számlálócsoport közöttiméteren a repülési idő negatív pionok eseténns , antiprotonok eseténns volt . Két pion ugyanakkor tudta magát egy antiprotonnak álcázni , de ezeket a Cserenkov-detektorok szűrték ki . A repülési idővel kapcsolatos méréssel szoros kapcsolatban Gerson Goldhaber ( Berkeley ) és Edoardo Amaldi ( Róma ) ezüstbromid-emulziós kísérletben figyelte meg az antiprotonok annihilációját , amelyeknek csillagszerű eseményekként kellett megjelenniük az emulzióban . 1955. szeptemberén Lofgren csoportjanapos futást kezdett volna , de átadták idejüket a másik csoportnak . Ezen a napon egyórás futás alatt Segrè és Chamberlainantiprotont számlált meg . Az emulziók ezután történt átvizsgálása megerősítette a felfedezést . 1959-ben Segrè és Chamberlain fizikai Nobel-díjat kaptak „ az antiproton felfedezéséért” . Antiproton-gyorsítók Tudományos továbblépést jelentett , amikor antiprotonokat már nemcsak kelteni , hanem azokat a protonokhoz és elektronokhoz hasonlóan felhalmozni és gyorsítani-lassítani is tudták . A CERN-ben ilyen „ lassító” volt a LEAR – előgyorsítóival az antiprotongyűjtővel és antiproton-felhalmozóval – , amely a mezonspektroszkópia területén tett lehetővé fontos kísérleteket . A CERN-ben ma működik az antiproton-lassító , amely antianyag-kutatásokat tesz lehetővé . Jegyzetek Források További információk Barionok