Карл Дэвид Андерсон

Краткая биография

Жизнь и работа

Карл Дэвид Андерсон родился 3 сентября 1905 года в Нью-Йорке. Его семья позднее переехала в Калифорнию, и Андерсон получил образование в Калифорнийском технологическом институте. Там он учился и затем работал под руководством Роберта Милликена, одного из ведущих экспериментальных физиков своего времени. Главным объектом исследований молодого Андерсона стали космические лучи — высокоэнергетические частицы, приходящие к Земле из космоса.

Начало 1930-х годов было необычайно продуктивным временем для физики элементарных частиц. Квантовая механика уже заставила пересмотреть привычные представления о материи, а релятивистское уравнение электрона, созданное Полем Дираком, привело к загадочным решениям, которые нельзя было просто игнорировать. Дирак пришёл к идее существования частицы с той же массой, что у электрона, но с противоположным электрическим зарядом — антиэлектрона.

Теоретическое предсказание само по себе ещё не означало, что такая частица действительно существует в природе. Андерсон подошёл к проблеме с другой стороны. Он изучал космические лучи с помощью камеры Вильсона, или облачной камеры. Быстро движущаяся заряженная частица оставляет в пересыщенном паре видимый след из мельчайших капель. Если камеру поместить в магнитное поле, траектория частицы изгибается, и по направлению и величине кривизны можно получить информацию о её заряде и импульсе.

В 1932 году на одной из фотографий Андерсон увидел необычный трек. Он выглядел как след очень лёгкой частицы, похожей на электрон, но изгибался так, как должна была бы изгибаться положительно заряженная частица. Главная экспериментальная трудность состояла в том, чтобы убедиться, что это действительно лёгкий положительный электрон, а не, например, протон или частица, движущаяся через камеру в противоположном направлении.

Особенно важной частью установки была свинцовая пластина толщиной несколько миллиметров, пересекавшая камеру. Частица теряла энергию при прохождении через свинец, поэтому её траектория после пластины изгибалась сильнее. Это позволяло определить направление её движения. Одновременно характер следа и потеря энергии показывали, что масса частицы значительно меньше массы протона. Совокупность признаков указывала на положительно заряженную частицу электронного масштаба массы.

Андерсон впервые сообщил о наблюдении новой положительно заряженной частицы в 1932 году, а в 1933 году опубликовал подробную работу «The Positive Electron». В ней он ввёл название «positron» — позитрон. Эксперимент стал первым убедительным обнаружением античастицы. Теоретическая физика предсказала возможность антиматерии, а облачная камера показала её след.

Открытие быстро получило независимые подтверждения и стало частью нового представления о микромире. Выяснилось, что частицы могут иметь соответствующие античастицы. Когда электрон и позитрон встречаются, возможна их аннигиляция с превращением энергии в фотоны. Возможен и обратный процесс: энергия излучения при подходящих условиях способна породить пару электрон–позитрон. То, что в начале 1930-х выглядело почти экзотическим следствием квантовой теории, стало экспериментально изучаемой физикой.

В 1936 году Карл Андерсон получил половину Нобелевской премии по физике «за открытие позитрона»; вторую половину получил Виктор Франц Гесс за открытие космического излучения. Позднее Андерсон вместе с Сетом Неддермайером обнаружил в космических лучах ещё одну частицу, значительно тяжелее электрона и легче протона. В дальнейшем она была идентифицирована как мюон, хотя первоначально её природа оставалась неясной.

История позитрона получила неожиданное продолжение в медицине. Позитронно-эмиссионная томография использует радионуклиды, распад которых испускает позитроны. После встречи позитрона с электроном происходит аннигиляция, при которой возникают два гамма-фотона, летящие приблизительно в противоположных направлениях. Детекторы регистрируют совпадающие фотоны и используют эти данные для построения изображения распределения радиофармпрепарата в организме. Поэтому частица, впервые замеченная Андерсоном в космических лучах, стала физической основой одного из важнейших методов молекулярной медицинской визуализации.

Андерсон продолжал исследования космических лучей и преподавал в Калифорнийском технологическом институте на протяжении большей части своей научной карьеры. Он умер 11 января 1991 года. Его открытие остаётся одним из самых наглядных примеров того, как математическое предсказание новой формы материи может получить прямое экспериментальное подтверждение — сначала в виде тонкой линии на фотографии облачной камеры, а десятилетия спустя стать частью технологии, используемой в клинической медицине.