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核物理学家卡尔·安德森——反物质发现者

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宇宙解码 2021-05-14 15:25

我们的宇宙几乎完全由物质组成,但是也有一个由反物质组成的幽灵般的“镜像”,卡尔·安德森是第一个发现它的人。

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卡尔·安德森(Carl Anderson)1905年出生于瑞典移民之家。他于1927年在加州理工学院获得工程学学位,1930年,在导师罗伯特米利坎(Robert A. Millikan)指导下获得物理学博士。卡尔·安德森的整个职业生涯都在加州理工学院度过,二战期间,他在那里进行火箭研究。安德森于1991年去世。

宇宙射线

1932年,作为博士后,安德森(Anderson)开始研究宇宙射线,这些宇宙射线是高能质子和原子核(质子和中子),它们几乎以光速在太空中传播。

宇宙射线起源于我们的太阳,太阳系之外,遥远的星系和超新星爆炸。在1912年通过气球实验首次发现的它们的存在。

99%的宇宙射线是被剥夺电子壳的原子核组成,另外1%是电子。在原子核中,有90%是质子,或仅是氢原子,有9%是与氦原子核相同的α粒子,还有1%是较重元素组成的原子核。

但是,宇宙射线的极小部分是在1932年以前从未见过的反物质粒子,例如正电子或反质子。

云室

安德森在后来被称为安德森云室的地方发现了宇宙射线。这是一个密封的环境,其中包含水或酒精的过饱和蒸气。当来自宇宙射线的带电粒子流过云室时,它将电子从内部的气体分子中剔除,从而产生一束电离的气体粒子。沿着宇宙射线的轨迹出现了类似雾状的痕迹,这种痕迹持续了几秒钟。α粒子的轨迹是笔直且粗的,而电子的轨迹则是纤细且弯曲的。

安德森开始拍摄宇宙射线轨迹,在一张这样的照片(上图)中,出现了弯曲的轨迹。安德森意识到轨道只能由质量与电子相同但带相反电荷或带正电荷的粒子构成。安德森称这个新粒子为正电子。

粒子“动物园”

正电子是第一个被发现的反粒子。反粒子最早于1928年由英国理论物理学家保罗·狄拉克提出。他提出:每个原子粒子都有一个质量相同的反粒子,但电荷和其他量子差异相反。由于这一发现,狄拉克和埃尔文·施罗德丁格一起获得了1933年诺尔物理学奖。

继1936年发现正电子之后,安德森又在宇宙射线中发现了另一个带电粒子。这个新粒子的质量是质子的十分之一,是电子质量的207倍。它带负电,自旋为1/2,和电子一样。安德森将这种新粒子命名为“介子”,但很快就被称为介子。

起初,人们认为这个新粒子是一个π介子,早在两年前,玉川Yukawa就在他的强相互作用理论中预言了这一点。

当安德森的新粒子不是π介子时,物理学家I.I.Rabi提出了一个著名的问题:“谁下令的?”最终,安德森的介子被认为是μ介子,也被称为μ介子,玉川Yukawa的介子变成了π介子,也就是π介子。

安德森所发现的粒子在这些被称为“粒子动物园”的一长串新发现的亚原子粒子中是第一个。物理学家无法设计出一个统一额方案将它们划分归类,直到20世纪60年代末夸克的发现,粒子物理的标准模型才初见雏形。今天,我们知道所有物质都是由夸克、玻色子和轻子组成的。

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