Next: Pion u eksperimentalnim
Utvrdjivanje postojanja i svojstava elementarnih cestica
zbog njihovih dimenzija nije moguce
direktnim opazanjem, vec preko njihovih interakcija s jezgrama i
elektronima materije kroz koju prolaze. Tridesetih godina ovog stoljeca,
kada su zapoceli eksperimenti s elementarnim cesticama uporabom
kozmickog zracenja, znalo se za postojanje dvije nabijene
elementarne cestice suprotnih naboja: elektron i proton.
Masa protona veca je
priblizno 2000 puta od mase elektrona, a isto tako proton osim
elektromagnetske interakcije,koju osjeca elektron,
osjeca i jake sile. Iako mnogo jace
te sile su i vrlo kratkog dosega, reda velicine dimenzije jezgre.
Zbog toga je glavni nacin gubitka energija tih
cestica kod prolaska kroz
materiju elektromagnetska interakcija s jezgrama i elektronima. Velika
razlika u masama uzrokuje razlicite mehanizme gubitka energije u
elektromagnetskim interakcijama pri prolazu protona i elektrona kroz
materiju. Protoni vecinu svoje energije gube u interakcijama s
elektronima atoma materijala i ionizaciji tih atoma. Dok elektroni
glavninu energije gube u zakocnom zracenju, stvaranju elektron -
pozitron para i u mogucoj interakciji s elektronima u atomu, a koji
ce od ovih procesa biti dominantan ovisi o energiji elektrona. Teorijski
proracun gubitaka energije ovih cestica pri prolasku kroz materijal
napravljen je za svaki od ovih mogucih nacina interakcije uporabom
kvatne elektrodinamike.
Osnovni nacin registracije putanje elementarnih cestica tih
godina bilo je fotografiranje tragova u maglenoj komori, u kojoj su nabijene
cestice stvarale mjehurice duz svoje staze. Ako se komora
postavi u magnetsko polje, putanja cestice se zakrivljue i moguce
je odrediti impuls cestice iz znane relacije mv/r=qB, gdje je
mv impuls, r radijus putanje u magnetskom polju jakosti B. Promatranje gubitka
energije pri prolasku nabijenih cestica kroz materijal i rekonstrukcija
putanje u magnetskom polju bili su osnovni nacini za promatranje
reakcija elementarnih cestica.
Promatranjem gubitka energije pri prolazu kroz materijal cestica
odredjenog impulsa iz kozmickog zracenja, Anderson i Neddermeyer su
1937, godine uocili cestice, pozitivog i negativnog naboja,
koje po svom ponasanju ne mogu
biti niti protoni niti elektroni. Elektron tog impulsa prema teorijskom
predvidjanju trebao bi gubiti znatno vise energije, a isto tako ako
bi to bio proton, morao bi proizvesti znatno vise ionizacije nego
sto je opazeno. Mjerenjem mase opazene cestice, Street i
Stevenson, odredili su da je masa te cestice priblizno 130 puta
veca od mase elektrona. Danas znamo da je to odredjenje bilo za
faktor 1.6
pogresno, ali ipak jasno je utvrdjeno postojanje nabijene cestice
po masi izmedju elektrona i protona.
Spomenuli smo da je Yukawa 1935. godine u svojoj teoriji nuklearne sile
predvidio postojanje cestice mase priblizno 200 masa elektrona,
koja bi trebala biti prijenosnik jakog medjudjelovanja. Izgledalo
je da je to ta cestice. Da se to sa sigurnoscu konstatira,
trebalo je odrediti i neka druga svosjtva te cestice osim mase.
Teorijski je pokazano da pretpostavljena Yukawina cestice ima
vrlo razlicito ponasanje u materiji ovisno da li je pozitivno ili
negativno nabijena. Negativno nabijena cestica kod malih brzina
u materijalu biva uhvacena u atomske orbite slicne elektronskim i
kada se dovoljno priblizi jezgri uslijed jake interakcije koju
osjeca interagira s jezgrom i biva apsorbirana. Nasuprot tome, pozitivna
cestica zaustavlja se u materijalu izmedju atoma i raspada. Niz
eksperimenata koje su za vrijeme drugog svjetskog rata u Italiji napravili
Conversi, Paccini i Piccioni pokazali su da to nije slucaj s opazenim
cesticama. Dakle , ta cestica nije Yukawina cestica!
Nedugo nakon rata, 1947. godine, Perkins je registrirao jedan dogadjaj
s cesticom cije ponasanje odgovara Yukawinoj cestici. Nastalo
paradoksalno ponasanje opazenih cestica razjasnjava niz
pokusa grupe fizicara Lattes, Occhialini, Powell, u Bristolu, Engleska
, 1947. godine, koji utvrdjuju postojanje dvije vrste nabijenih cestica
s razlicitim svojstvima, od kojih jedna nastaje raspadom druge.
Jedna cestica je predvidjena Yukawina cestica, koja osjeca
jaku interakciju i danas znana pod imenom
pi-mezon (pion) i koja se
raspada na jednu nabijenu cesticu nesto manje mase, ali koja ne
osjeca jaku interakciju, mion i cesticu bez mase neutrino.
Dakle, sada je postalo jasno da su mion vidjeli jos 1937. Anderson i
Neddermeyer, ali i da je ona krivo pridruzena Yukawinoj cestici,
a da je Perkins vidio pion, cesticu koja osjeca jaku interaciju
i ponasa se na predvidjeni nacin u materiji.
Otkrice nabijenih piona napravljeno je dakle eksperimentima uporabom
kozmickih zraka , koje su u to vrijeme bilo jedini izvor
visokoenergijskih elementarnih cestica. Prvi akceleratori elementarnih
cestica poceli su se razvijati tridesetih godina ovog stoljeca,
ali energije na koje su cestice ubrzane nisu bile dovoljne za ovakve
eksperimente. Tek nakon drugog svjetskog rata zapocinje razvoj
akceleratora koji daju cestice vecih energija i ubrzo su opazeni
pioni u eksperimentima s tim akceleratorima, a isto tako otkriveni su i
neutralni pioni 1950. godine.
Next: Pion u eksperimentalnim i teorijskim istrazivanjima