Андерсон воплотил это с помощью инженеров в ближайшей аэронавигационной лаборатории. Магнитные поля получались в десять раз мощнее, чем у Скобельцына, с их помощью Андерсону удалось изменить направления полета частиц. К своему удивлению он обнаружил, что в космических лучах содержатся и положительно, и отрицательно заряженные частицы в примерно равных количествах.
Как говорилось выше, Милликен считал, что космические лучи состоят из гамма-лучей, которые следов не оставляют. Он предположил, что заряженные частицы были выбиты из атомов гамма-лучами. В его интерпретации отрицательными были электроны, а положительными – протоны. Однако фотографии, сделанные Андерсоном, с этим не совсем сочетались. Легкие частицы типа электронов оставляют тонкие слабые следы, очень сильно отличающиеся от плотных следов массивных протонов. Все следы на фотографиях Андерсона выглядели как следы электронов, и поэтому он высказал предположение, что те, которые отклонились «не в ту сторону», – это не положительно заряженные частицы, идущие вниз, а электроны, идущие вверх. Милликену это не понравилось, на его суждения сильно влияло понимание природы космических лучей, и он настаивал, что даже если следы тонкие, а не густые, их тем не менее вызывают протоны, которые идут вниз.
Андерсон решил спор, установив свинцовую пластину в центре камеры. Если частица пройдет сквозь пластину, то потеряет энергию, и ее кривая изменится после того как она выйдет из пластины, в сравнении с тем, какой была до входа. Таким образом, споры о том, идут ли они вверх или вниз, прекратятся, также раз и навсегда определится знак заряда: положительные – вниз, а отрицательные – вверх.
Это и вправду дало ответ на вопрос и показало, что ошибались и Андерсон, и Милликен! Следы были оставлены не положительно заряженными протонами и не электронами, которые шли вверх, а являлись следами «положительных электронов», которые шли вниз. По крайней мере Андерсон был удовлетворен, хотя ему все еще было трудно убедить своего учителя в находке.
Интересно, что первым Андерсон увидел позитрон, который в действительности двигался вверх (это оказался случайный позитрон, получившийся в результате удара космического луча по атому в воздухе ниже свинцовой пластины, затем он отскочил вверх и прошел сквозь нее). Затем ученый обнаружил первый красивый пример положительной частицы, которая определенно была гораздо легче протона и двигалась вниз сквозь свинцовую пластину. Вскоре он увидел несколько примеров таких «положительных электронов» и обрел достаточную уверенность в находке, чтобы рассказать о ней научной общественности. Первая фотография следов была опубликована в декабре 1931 года в журнале Science News Leter, тогда же впервые появилось название «позитрон». И сохраняется до сих пор.
Патрик Блэкетт и Джузеппе Оккиалини
В 1931 году считалось, что материя состоит из атомов, и «атомное меню» весьма простое – электроны и протоны. Позитронам там места не было. Так откуда же они появились и что собой представляют?
Андерсон и Милликен жили на западном побережье США. В те времена еще не было средств связи, позволяющих мгновенно связаться с другими людьми, не было групп по интересам, которые ведут обсуждение в Сети, что является обычным делом сегодня, они имели лишь отдаленное представление о работе Дирака. В то время как Андерсон первым идентифицировал позитрон, Патрик Блэкетт и Джузеппе Оккиалини из Кавендишской лаборатории в Кембридже подтвердили его существование без всякого сомнения и объяснили, откуда он появился.
Патрик Блэкетт учился в Королевском военно-морском колледже и начинал карьеру в армии, участвовал в Первой мировой войне. После окончания войны он уволился из армии и поступил в Кембриджский университет, где изучал физику. После окончания остался работать в этом университете, но в дальнейшем также работал в Лондонском и Манчестерском университетах, а к началу Второй мировой войны перешел в одно из научных подразделений Королевских ВВС и участвовал в разработке воздушной защиты против налетов Люфтваффе.
Патрик Мейнард Стюарт Блэкетт (1897–1974) – английский физик, президент Лондонского королевского общества в 1965–1966 годы. Он занимался физикой космических лучей с помощью усовершенствованной им камеры Вильсона. Нобелевскую премию получил в 1948 году за усовершенствование камеры Вильсона и сделанные в связи с этим открытия в области ядерной физики и космической радиации
Усовершенствованную камеру Вильсона он сконструировал вместе с Джузеппе Оккиалини, целью было изучение космического излучения, и в 1933 году они подтвердили открытие позитрона, также Блэкетт доказал существование ливней электронов и позитронов. Поскольку в обычной материи не содержится позитронов, Блэкетт разработал концепцию рождения пар на основе теории Поля Дирака – рождения пары частица – античастица за счет гамма-излучения. Кроме того ему удалось экспериментально доказать наличие обратного процесса, то есть аннигиляции.
После Второй мировой войны Блэкетт занимался космическим излучением и истоками межзвездного космического магнитного поля. Эти исследования, которые расходились с современным состоянием науки, привели его к исследованию истории магнитного поля Земли и намагничивания пород.
Джузеппе Оккиалини окончил Флорентийский университет, вначале работал во Флоренции, а потом переехал в Кембридж и стал работать в Кавендишской лаборатории, где познакомился с Патриком Блэкеттом. Он также был удостоен Нобелевской премии по физике в 1948 году за усовершенствование камеры Вильсона и сделанные с ее помощью открытия. В дальнейшем переключился на космические исследования.
Но нас интересует то, что происходило в Каведишской лаборатории после того, как познакомились Блэкетт и Оккиалини. Позитронов нет внутри атомов, по крайней мере, атомов материи, известной нам на Земле. Так откуда позитроны берутся в космических лучах? Андерсон этого не знал, ответ дали Блэкетт и Оккиалини: позитроны не являются внеземными пришельцами, а создаются в атмосфере самой космической радиацией.
Джузеппе Паоло Станислао Оккиалини (1907–1993) – итальянский физик, занимался физикой элементарных частиц. Считается одним из основателей европейской космической программы. Был первым директором Института космической астрофизики и физики космоса, который теперь носит его имя
Изначально Блэкетт работал с камерой Вильсона в группе Резерфорда в Кавендишской лаборатории. Он изобрел камеру, которая была готова к действию каждые десять секунд, и сделал фотографии на обычную кинематографическую пленку. В период с 1921 по 1924 год он зафиксировал более 20 000 фотографий следов, оставляемых альфа-частицами – продуктом радиоактивного ядерного распада – которые бомбардировали азот в камере. Время от времени альфа-частица сталкивалась с ядром атома азота и соединялась с ним таким образом, что азот превращался в другой элемент. Блэкетт таким образом зафиксировал ядерную трансмутацию на пленке и прославился.
Как уже говорилось, в Кавендишскую лабораторию в 1931 году приехал Джузеппе Оккиалини. Он специализировался на обнаружении ядерной радиации с помощью счетчиков Гейгера. Сравнив свои записи с исследованиями Блэкетта, Оккиалини понял, что, объединив усилия и опыт, они смогут изменить камеру Вильсона, превратив ее в очень эффективный инструмент. До них она в общем-то работала неточно.
Идея была блестящей и простой. Камера Блэкетта работала, автоматически снова и снова делая снимки, и ждала своего шанса – когда случится что-то выдающееся. На большинстве снимков ничего интересного не было, следы фиксировались примерно на одном из двадцати. Счетчик Гейгера усиливал сильные стороны и ослаблял слабые стороны камеры Вильсона. Он реагировал, если сквозь него проходила заряженная частица, но практически ничего не показывал для того, чтобы определить, откуда она появилась. Блэкетт и Оккиалини решили поместить один счетчик Гейгера над камерой Вильсона, а второй – под ней. Если оба счетчика отреагируют одновременно, это будет подтверждением прохода космического луча сквозь камеру, – решили они. В результате удалось зафиксировать следы космического излучения на пленке. Главное – это то, что следы остаются после прохождения луча, ведь к тому времени, как делался снимок, луч уже давно прошел, но важные капли все еще оставались в газе.
Классическая фотография (ок. 1930 г.) получена в опыте Блэкетта, где радиоактивный источник помещен в камеру Вильсона, наполненную смесью газов. Эту реакцию можно описать как захват ядра гелия ядром азота, который превращается при этом в короткоживущий изотоп фтора, мгновенно распадающийся (с высвобождением энергии) на кислород и протон. На фото полностью виден трек протона – без преувеличения можно сказать, что вероятность наблюдения такого трека не превышает одной миллионной
