تابستان کیهانی چیست؟ پیشتازان رادیواکتیویته در صدد بودند اندازه گیریهای دقیقی انجام دهند و ناچیزترین مقادیر رادیواکتیویته را ردگیری کنند. برای این منظور، همان طور که قبلاً گفته شد، از الکتروسکوپها یا از اتاقکهای یونِش استفاده می کردند و آنجا در حجم معینی از هوا یا از گازهای دیگر، مقدار یونیدگی، یعنی بار الکتریکی آزاد شده از تابشهای اجسام رادیواکتیو طبیعی را، اندازه می گرفتند. وقتی که همه ی منابع رادیواکتیو را دور می کردند، باز جریان الکتریکی ضعیفی برجا می ماند. ابتدا علت آن را در یونیدگی الکتریکی رساناها دانستند؛ اما پس از همه ی اقدامات احتیاطی باز هم همیشه یک یونیدگی بازمانده وجود داشت. آنگاه فکر کردند که منشأ آن در تابشهای خارجی گسیل شده از موادی است که معمولاً در خاک پیدا می شود (مثلاً گرانیتها) که درصد ضعیفی عناصر رادیواکتیو طبیعی نظیر پتاسیم 40، اورانیوم یا توریوم دربردارد. برای حذف این تابشهای انگلی، آشکارساز را با ورقه های سرب پوشاندند. باز هم تابشی باقی بود. برای آنکه معلوم شود این تابش از رادیواکتیویته موجود در اعماق زمین منشأ می گیرد، تجهیزات آشکارساز را به روی قایقی شناور در دریاچه ای عمیق منتقل کردند، سپس تصمیم گرفتند آشکارساز را روی سبد سفینه ای هوایی قرار دهند؛ با این امید که پس از اوجگیری، تابشهای کمتری ثبت کنند. اما فیزیکدان اتریشی ویکتورف. هِس (1) در 1911 به روشنی پدیده ی معکوسی را مشاهده کرد: بالاتر از 2000 متر، یونیدگیِ بازمانده، با ارتفاع، افزایش می یافت؛ بنابراین منشأ آن باید در تابشی باشد که از فضا می آید؛ تابشهای کیهانی که در آغاز، آنها را تابش ارتفاع نامیدند.
دسته ای از پژوهشگران به مطالعه ی این تابش با اتاقکهای یونِش، که به ارتفاعات کوههای بلند حمل شده بود، هجوم آوردند. رابرت آ. میلیکان (2) جذب آن را در دریاچه های کوه، اندازه گیری کرد و فرضیه ای عنوان کرد (که موجّه نبود) و منشأ آن را پرتو گاما، دانه های نور بسیار پرانرژی می دانست. پیشرفت واقعی در این راه وقتی صورت گرفت که توانستند این تابشها را با آشکارسازی یک به یک مسیرهایشان در یک اتاقک ابر، که در میدانی مغناطیسی قرار داده شده بود، مطالعه کنند؛ کاری که دیمیتری اسکو بِلتزین (3) کرد، یا وقتی که والتر بُته (4) و ورنر کالهورستر (5) توانستند نخستین شمارگرهای گایگر ــ مولر (6) را ــ که تازه اختراع شده بود ــ برای اندازه گیری جهت تابشهای کیهانی که تصادفاً یکی از اتاقکها را زیر دیگری گذاشته بودند، به کار ببرند.
اتاقک ویلسون یا اتاقک ابر، امکان می دهد که با افزایش ناگهانی حجم اتاقک، مسیر ذرات باردار را به شکل تسبیحهایی از قطرات آب در طول خط سیرشان آشکار کرد. نتیجه ی این افزایش حجمِ اتاقک، این است که درجه ی دما را پایین می آورد و بخار آب را روی بارهای الکتریکی ــ در اثر یونیدگی ــ متراکم می کند. قطرات آب در سطح جانبی، روشن می شود و به صورت نقطه های سفید بر روی متن سیاه آشکار می گردد، که می توان از آن عکسبرداری کرد.
(توضیح تصویر): طرح یک اتاقک ویلسون (مدل ــ شیمیزو ــ بلاکِت)
بنابراین، تابشهای کیهانی از فضا می آمدند: از خورشید، از ستارگان، از فضای بین ستارگان کهکشان ما یا حتی از سحابیهای برون کهکشانی. تابشهای کیهانی، خیلی پیچیده به نظر می رسید و نوید شناختهای تازه ای را می داد. این پیچیدگی که در ترکیب تابشهای کیهانیِ نخستین وجود دارد، پس از رسیدن به قشر بالای جوّ زمین و پس از اثرپذیری از میدان مغناطیسی زمین، به علت برخورد با ذرات پرانرژی ثانوی محصول هسته های اتمهای جوّ بالا، باز هم پیچیده تر می گردد. در سطح دریا تابش کیهانی تقریباً برابر است با یک ذره در دقیقه که از یک سانتیمتر مربع سطحی افقی عبور می کند.
یکی از کاشفان این تابش، همان طور که نام بردیم، رابرت آ. میلیکان، فیزیکدان بزرگ امریکایی در اوایل قرن بود. او در دانشگاه شیکاگو بار الکترون را اندازه گرفته بود و اندک زمانی پس از انتصابش در آزمایشگاه «انستیتو تکنولوژی کالیفرنیا (کالتک (7))، دومین فیزیکدان امریکایی بود که جایزه ی نوبل می گرفت. این آزمایشگاه بسیار مجهز در شهر کوچک پاسادنا (8) بر روی تپه های مشرف به لوس آنجلس، بناشده است و آب و هوای خشک و آفتابی کالیفرنیای جنوبی را دارد. در حوالی 1930، میلیکان که بیش از 60 سال از عمرش می گذشت و دانشجویانش او را «رئیس» می خواندند، به اتفاق همکارانش، سوار بر ترن، کشتی و هواپیما دنیا را درمی نوردیدند تا در هر عرض جغرافیایی و در هر ارتفاعی تابشهای کیهانی را مطالعه کند. زمانی که در پاسادنا بود، برنامه ی ساعات کار روزش به قدری پر بود که برای بحث درباره ی فیزیک بین ساعت 11 شب و 2 بامداد وقت تعیین می کرد. یکی از دانشجویانش به نام کارل دی. آندرسون (9) مأمور شده بود برای مطالعه ی الکترونهای پرانرژی موجود در تابشهای کیهانی، یک اتاقک ابر بزرگ بسازد. این اتاقک به حالت عمودی در یک میدان مغناطیسی 25000 گاوس (10) گذاشته شده بود؛ این میدان مغناطیسی، شدیدترین میدانی بود که تا آن زمان می شد ایجاد کرد و تا آن وقت هرگز در مطالعات تابشهای کیهانی از آن استفاده نشده بود.
نخستین عکسهایی که در اواخر 1931 گرفته شد شگفت آور بود. برخلاف انتظار، تعداد ذرات بارمثبت و بار منفی تقریباً برابر بود. ابتدا تصور شد که ذرات بار مثبت، پروتون هستند، اما کلیشه های متعدد نشان می داد که جرم این ذرات، ضعیف تر از آن است که چنین تفسیری را توجیه کند. آنگاه آندرسن و دانشجویی که با او همکاری می کرد، سِت نِدِرمایر (11)، فکر کردند که اینها الکترونهای بارمنفی هستند که از پایین اتاقک، روبه بالا آمده اند. میلیکان خشمگین به فیزیکدانان جوان تذکر داد که همه می دانند که اکثر ذرات تابش کیهانی از بالا می آیند و نه از پایین، و بنابراین، اینها باید پروتون باشند. فیزیکدانان جوان با این توضیح متقاعد نشدند: تعداد قطرات ریز ــ اثر یونیدگی ــ برحسب واحد طول مسیر برای ذرات پرحجمی مثل پروتونها خیلی کوچک بودند. آنها به این فکر افتادند که برای جدا کردن ذراتی که از بالا می آیند از ذراتی که از پایین می آیند، یک دیواره سربی در وسط اتاقک نصب کنند. عکسهایی که گرفته شد نشان داد که این ذرات، الکترونهای مثبت بودند. این نتیجه سبب شد که آندرسن جایزه ی نوبل فیزیک 1936 را با ویکتور ف. هِس که قبلاً از او نام بردیم، تقسیم کند.
آندرسن ونِدِرمایر در ادامه ی مطالعاتش با اتاقک ابر به حضور تعدادی ذرات بسیار پرنفوذ پی بردند که می توانستند از دیواره ی چند سانتیمتری سربی هم عبور کنند. این ذرات، به علت یونیدگیشان، یعنی از دست دادن انرژی برحسب واحد طول مسیر و به علت انرژی الکترونهایی که آنها در طول خط سیرشان پرتاب می کردند، نمی توانستند پروتون باشند. این ذرات، الکترون هم نمی توانستند باشند، زیرا الکترونها با یک چنین انرژیی در حال عبور از دیواره های ماده، خوشه های ذرات تولید می کنند. از اتاقک ابر، یک وقت در پاسادنا (همسطح دریا) و یک وقت در قله ی پیکزپیک (12) کوههای راکی در ارتفاع 4300 متری استفاده می شد. کشیدن پیستون برای افزایش حجم اتاقک هر بار با تلافی علائم داده شده از یک سری شمارگرهای گایگر ــ مولر که زیر اتاقک قرار داده شده بود، صورت می گرفت. در کوه، جریان برق برای ایجاد میدان مغناطیسی با یک مولد برق سیار که با موتور اتومبیل کار می کرد، تأمین می شد.
دو فیزیکدان جوان، پیش از آنکه نتیجه ی تحلیلشان را منتشر کنند، مدتی در حال تردید به سر بردند: «معیار سادگی» که نزد نظریه پردازان، معتبر بود با ذرات تازه که ظاهراً «بی فایده» بودند، همخوانی نداشت.
پژوهشگران، مدت دو سال را به جمع آوری عکسها و شواهد گذراندند، تا بالاخره تصمیم گرفتند نظریاتشان را در مارس 1937 با نتیجه گیریهای زیر منتشر کنند: در تابشهای کیهانی، ذرات نفوذ کننده ی پرانرژی، با بار الکتریکی ــ مثل بارهای الکترون و پروتون ــ اما با جرم میانی، میان جرمهای الکترون و پروتون وجود دارد. در همان سال 1937 تجربیات مشابهی در انستیتو تکنولوژی ماساچوست (.M.I.T) در ساحل شرقی ایالات متحده ی آمریکا به توسط جابز استریت (13) و ای. سی. استِونسون (14) و در توکیو به توسط یوشیو نیشینا، مازا تاکوشی (15) و تورائو ایشی میا (16) به عمل آمده بود.
یوکاوا پیشرفت مطالعات تابشهای کیهانی را با دقت دنبال می کرد؛ او متوجه شده بود که برخی از مسیرهای پیشتر عکسبرداری شده به توسط آندرسون وندرمایر، که از سال 1936 در فیزیکال ریویو منتشر می شد، می توانست با پیشگویی وی درباره ی ذره ی سنگین «U» متناظر باشد. به محض آنکه از آخرین نتایج تجربیات امریکاییان مطلع شد، هیدکی یوکاوا یادداشتی در «گزارشهای جامعه فیزیک ــ ریاضی ژاپن» منتشر کرد و روز 5 ژوییه به یک روزنامه ی ژاپنی اعلام کرد: «ذره ی سنگین «U» را که من پیشگویی کرده بودم، به تازگی کشف کرده اند.»
در آن زمان، تعداد کمی از فیزیکدانان در امریکا و در اروپا نشریات ژاپنی را (حتی آنهایی را که به زبان انگلیسی منتشر می شد) می خواندند. آندرسون درباره ی آن تذکر داده است که اگر نظریه ی یوکاوا در ایالات متحده ی آمریکا بهتر شناخته شده بود، پیشرفتهای تجربی زودتر به نتیجه می رسید، زیرا شواهد مربوط به وجود یک ذره ی جدید با خواص عجیب، به تدریج در دو سال فراهم آمده بود.
در ژوئن 1937 نظریه پردازان امریکایی، رابرت اوپنهایمر (17) و رابرت سِربِر (18)، توجه محافل علمی را به این واقعیت جلب کردند که ذرات جدید، که تازه کشف شده اند، می توانند همان ذرات جرم میانی باشند که یوکاوا برای تبیین ماهیت قدرتهای هسته ای فرض کرده است. از تابستان 1937، خیلی از فیزیکدانها عکسهایی را که در گذشته از تابشهای کیهانی گرفته بودند از نو بررسی می کنند و درمی یابند مسیرهایی که تا آن وقت به آنها توجه نشده است، می تواند متعلق به ذرات جدید باشد. آندرسون و ندرمایر در مجله ی انگلیسی نیچر (19) پیشنهاد کردند که این ذره ی تازه کشف شده، «مِزوترون» (20) نامیده شود که از واژه ی یونانی «مزوس» (21) به معنای میانی گرفته شده است. بعدها واژه ساده تر «مزون» (22) متداول شد.
(توضیح تصویر): سمت چپ) مزوترون از ورقه ی مسی به قطر 2 سانتیمتر نفوذ می کند، مشاهده شده در اتاقک ویلسون (بعدها پی می برند که این یک میون است) (پی. ام. اس بلاکِت و جی. جی. ویلسون (1937)
سمت راست (نخستین کلیشه ی ویلسون که ذره ی خنثی را در حال فروپاشی به یک پیون و یک نوترون (سمت راست زیر ورقه ی سربی) نشان می دهد. این ذره ی V امروز ذره A (لاندا) نامیده می شود (جی. دی. روچستر و سی. سی. باتلر [1947]).
اندازه های جذب تابش کیهانی در مواد مختلف در سطح دریا نشان دادند که از دو قسمت تشکیل شده است: یک قسمت به آسانی قابل مشاهده است و قسمت دیگر بسیار نفوذکننده است (می توان آن را در عمق چندصد متری زیر آب مشاهده کرد) و آن را به ذراتی نسبت دارند که یوکاوا پیشگویی کرده بود. اخیراً پیشنهاد شده است که از مؤلفه ی نفوذکننده ی تابش کیهانی برای عکسبرداری از یکی از اهرام بزرگ مصر، به منظور یافتن احتمالی یک دخمه ی سرّی در آن، استفاده شود. با وجود این، تولید فراوان این مزونها در جوّ بالا ــ موافق با بر هم کنشی قوی پیش بینی شده ی ذرات یوکاوا ــ با قدرت نفوذ زیاد این مزونها، یعنی با برهم کنشی ضعیفشان با ماده ای که از آن عبور کرده اند. در تناقض بود.

پی نوشت ها :

1. Victor F. Hess.
2. Robert A. Millikan.
3. Dimitri Skobeltzyn.
4. Walther Bothe.
5. Werner Kolhorster.
6. Geiger-Muller counter.
7. Cali fornia Technology Institute(Caltech) .
8. Pasadena.
9. Karl D. Anderson.
10. Gauss.
11. Seth-Nedremeyer.
12. Pike's Peak.
13. Jabez Street.
14. E. C. Stevenson.
15. Masa Takeuchi.
16. Torao Ichimiya.
17. Robert Oppenheimer.
18. Robert Serbert.
19. Nature.
20. mesotron.
21. mesos.
22. meson.

منبع: سرگذشت اتم، شماره 2034