Τομ Υψηλάντης: η ανακάλυψη του αντιπρωτονίου

Posted on 16/04/2014

0


Ο Τομ Υψηλάντης (γύρω στο 1955) ήταν απόγονος του ήρωα της ελληνικής επανάστασης του 1821, Αλέξανδρου Υψηλάντη. Ο Τομ Υψηλάντης επηρέασε την εξέλιξη της φυσικής των σωματιδίων και επηρεάστηκε πάρα πολύ και ο ίδιος από αυτή.

Ο Τομ Υψηλάντης (γύρω στο 1955). Ο Τομ Υψηλάντης είχε τεράστια συνεισφορά στην εξέλιξη της πειραματικής φυσικής των σωματιδίων.

Η προσωπική ιστορία (1928 – 2000) του Τομ Υψηλάντη [Tom (Athanasius) Ypsilantis] στην πραγματικότητα ταυτίζεται με την ιστορία της εξέλιξης της σωματιδιακής φυσικής ή τουλάχιστον με ένα μέρος της. Γεννήθηκε στο Σολτ Λέικ Σίτυ και ήταν απόγονος του Αλέξανδρου Υψηλάντη, ήρωα της ελληνικής επανάστασης του 1821.

Οι γονείς του, ο Ιωάννης Υψηλάντης και η Ευγενία Τζερεφού είχαν μεταναστεύσει στην Αμερική από την Ελλάδα το 1924 όπου απέκτησαν τρία παιδιά, τη Μαρία, τον Τομ και τον Τζον. Έχασε τον πατέρα σε ηλικία μόλις 2,5 ετών από χτύπημα κεραυνού και την ανατροφή των παιδιών ανέλαβε η μητέρα του μέσα από τεράστιες δυσκολίες. Ο Τομ ήταν εξαιρετικός μαθητής στο σχολείο και καλός αθλητής.
Απέκτησε το πτυχίο του χημικού από το πανεπιστήμιο της Γιούτα το 1949.

O Υψηλάντης μπήκε στο Berkeley ως μεταπτυχιακός φοιτητής το 1949. Ενώ οι περισσότεροι φοιτητές τα δυο πρώτα χρόνια ξόδευαν τον περισσότερο χρόνο τους στην παρακολούθηση των μαθημάτων και τις αντίστοιχες εξετάσεις τους, ο Υψηλάντης βρήκε τον χρόνο για να ασχοληθεί και με την έρευνα δημοσιεύοντας τις πρώτες εργασίες του [η πρώτη δημοσίευσή του έχει τίτλο:
«Consistency of Nuclear Radii of Even-Even Nuclei form Alpha Decay Theory», Ι. Perlman and T.J. Ypsilantis, Physical Review79, 30–34 (1950)].

To 1952 o Yψηλάντης εντάχθηκε στην ερευνητική ομάδα του καθηγητή Emilio Segré, στην οποία ανήκαν επίσης ο καθηγητής Οwen Chamberlain και ο Dr. Clyde Wiegand. Κεντρικό ζήτημα της έρευνάς τους εκείνη την εποχή ήταν η αλληλεπίδραση νουκλεονίου – νουκλεονίου.

Το 1953 και ενώ οι Segré και Chamberlain βρίσκονταν σε ένα συνέδριο στην Ανατολική Ακτή , ο Υψηλάντης και ο Clyde Wiegand προσπαθούσαν να πετύχουν την πόλωση των πρωτονίων. Ο Segré αναφέρει χαρακτηριστικά στην αυτοβιογραφία του:

Ο Clyde Wiegand και μερικοί από τους φοιτητές μου συνέχισαν τα πειράματα μας στο Berkeley. Μεταξύ των φοιτητών ήταν ο Toμ Υψηλάντης, ο οποίος είχε σπουδάσει χημεία, αλλά είχε έρθει πρόσφατα σε μένα, γιατί ήθελε να στραφεί προς τη φυσική.
Σύντομα διαπίστωσα τις αρετές του και την σπάνια επιστημονική του ικανότητα. Κατά τη διάρκεια της απουσίας μου οι Toμ και Clyde πέτυχαν την πόλωση της δέσμης πρωτονίων στο συγχροκύκλοτρο.
Η μέθοδος αυτή δεν ήταν νέα, είχε προβλεφθεί θεωρητικά και αποδείχθηκε πειραματικά στο Ρότσεστερ, στη Νέα Υόρκη, αλλά ο Υψηλάντης κατόρθωσε να επιτύχει πολύ καλύτερα αποτελέσματα και άρχισε την εκμετάλλευση των πολωμένων πρωτονίων, ανοίγοντας νέες δυνατότητες στην μελέτη των συγκρούσεων νουκλεονίων – νουκλεονίων. Η επιτυχία ήταν γεγονός και το πνεύμα της πρωτοβουλίας του Υψηλάντη με εντυπωσίασε, ώστε πρότεινα μια θέση για αυτόν. Ήταν ένας από τους πιο ελπιδοφόρους νέους φυσικούς στο Μπέρκλεϊ , όπου συνέχισε να κάνει εξαιρετική δουλειά για αρκετά χρόνια.

Για τα επόμενα πέντε χρόνια, τα πειράματα σκέδασης που ξεκίνησαν από τον Toμ έγιναν ένα πραγματικό εργοστάσιο διδακτορικών διατριβών και δημοσιεύσεων [συμπεριλαμβανομένης και της δικής του διδακτορικής διατριβής με τίτλο: «Experiments on Polarization in Nucleon–Nucleon Scattering at 310 MeV» (June1955)].

Ο Segré κατά την επίσκεψή του στο Σικάγο στις αρχές του 1954 ανέφερε στον Fermi σχετικά με τις υψηλές ασυμμετρίες που παρατηρήθηκαν από τον Υψηλάντη στη σκέδαση πολωμένων πρωτονίων από σύνθετους πυρήνες. O Fermi στη συνέχεια πρότεινε ένα οπτικό μοντέλο για την σκέδαση νουκλεονίου – πυρήνα για να εξηγήσει αυτά τα αποτελέσματα. Και αυτή ήταν η τελευταία συμβολή του Fermi στην φυσική.

Η ανακάλυψη του αντιπρωτονίου

Το αντιπρωτόνιο είχε προβλεφθεί από τον Dirac το 1934 και μέχρι το 1955 – όταν πραγματοποιήθηκε η ανίχνευσή του χωρίς καμιά αμφιβολία – οι φυσικοί ήταν βέβαιοι ότι υπήρχε και μάλιστα κάποιοι ερευνητές ανέφεραν την παρατήρησή του. Για παράδειγμα, το 1946, κάποιοι σοβιετικοί φυσικοί ισχυρίστηκαν ότι είχαν ανιχνεύσει το αντιπρωτόνιο στην κοσμική ακτινοβολία, αλλά όπως και άλλοι παρόμοιοι ισχυρισμοί που προβλήθηκαν πριν από το 1955 δεν έγιναν αποδεκτοί.

Οι συγγραφείς του άρθρου για την ανακάλυψη του αντιπρωτονίου: Owen Chamberlain, Emilio Segrè, Clyde Wiegand, Τομ Υψηλάντης (με τον Ε. Lofgren στο κέντρο)

Οι συγγραφείς του άρθρου για την ανακάλυψη του αντιπρωτονίου: Owen Chamberlain, Emilio Segrè, Clyde Wiegand, Τομ Υψηλάντης (με τον Ε. Lofgren στο κέντρο)

Το 1954 ο επιταχυντής Bevatron του Εργαστηρίου του Berkeley είχε σχεδόν ολοκληρωθεί και διάφορες ερευνητικές ομάδες ενδιαφέρονταν για τη χρήση του, με σκοπό την ανίχνευση των αντιπρωτονίων. Υπήρχε μια αίσθηση ανταγωνισμού μεταξύ των ομάδων αυτών και μια ασυνήθιστη αίσθηση μυστικότητας έκανε την εμφάνισή της.

Το όνομά του επιταχυντή προερχόταν από το BeV (Βillion electron Volts) και έμελε να είναι ο επιταχυντής στον οποίο θα ανιχνευόταν για πρώτη φορά το αντιπρωτόνιο, από τους Owen Chamberlain, Emilio Segrè, Clyde Wiegand και τον Τομ Υψηλάντη.

Για να παραχθούν αντιπρωτόνια σε συγκρούσεις πρωτονίων με την ύλη η ενέργεια των πρωτονίων έπρεπε να ανέρχεται τουλάχιστον στα 5,6 GeV. Η μέγιστη ενέργεια που μπορούσε να επιτευχθεί το 1954 στο Bevatron έφτανε στα 6,2 GeV, και ήταν αρκετά μεγαλύτερη από την ενέργεια κατωφλίου. Παρότι το Bevatron ήταν ιδανικό για την παραγωγή αντιπρωτονίων, δεν είχε κατασκευαστεί γι’ αυτό το σκοπό, και μόλις το 1955 χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή του συγκεκριμένου σωματιδίου.

Ο Toμ, αν και ακόμα ήταν φοιτητής, εντάχθηκε στην ομάδα των Segre , Chamberlain και Wiegand κάνοντας σχέδια για αυτό το πείραμα. Η ομάδα αυτή ήταν ένα ισχυρό μίγμα ταλέντων. Με την χρήση τεχνικών time-of-flight και απαριθμητές Cherenkov προσπαθούσαν να ταυτοποιήσουν τα σπάνια αντιπρωτόνια ανάμεσα στα άφθονα πιόνια.

Μία από τις κύριες συνεισφορές του Υψηλάντη, ήταν να σχεδιάσει και στη συνέχεια ελέγξει τους τετραπολικούς και διπολικούς μαγνήτες που χρησιμοποιήθηκαν σ’ αυτό το πείραμα. Αξίζει να σημειωθεί ότι οι μαγνήτες εστίασης για την δημιουργία δεσμών φορτισμένων σωματιδίων είχαν αναπτυχθεί μόλις λίγα χρόνια νωρίτερα από τους Courant και Snyder στο Brookhaven και ότι η δέσμη που χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα αυτό ήταν μια από τις πρώτες δευτερεύουσες δέσμες σωματιδίων που είχαν επιτευχθεί μέχρι τότε.

Το πείραμα ξεκίνησε το φθινόπωρο του 1955 και από τις αρχές Οκτωβρίου τα αντιπρωτόνια είχαν ξεκάθαρα ανιχνευθεί.

Η ανακοίνωση στον χώρο του εργαστηρίου κατά την διάρκεια της εξέλιξης του πειράματος ανίχνευσης των αντιπρωτονίων αναφέρει ότι ανιχνεύθηκαν  38 αρνητικά φορτισμένα σωματίδια με μάζα 1840 φορές τη μάζα του ηλεκτρονίου

Ανακοίνωση στον χώρο του εργαστηρίου κατά την διάρκεια της εξέλιξης του πειράματος ανίχνευσης των αντιπρωτονίων. Αναφέρει την ανίχνευση 38 αρνητικά φορτισμένων σωματιδίων με μάζα 1840 φορές τη μάζα του ηλεκτρονίου

Οι σπινθηριστές και απαριθμητές Cherenkov που χρησιμοποιούσαν έδειξαν 60 υποψήφια γεγονότα για την ταυτοποίηση του αντιπρωτονίου.

Οι συνεισφορά του Υψηλάντη σε αυτό το πείραμα ήταν πολύ σημαντική (όπως και του Wiegand), και ήταν άδικο που δεν συμπεριλήφθηκαν στο βραβείο Νόμπελ φυσικής το 1959, το οποίο απονεμήθηκε στους Segré και Chamberlain για την «ανακάλυψη του αντιπρωτονίου».

Στο σύντομο βίντεο που ακολουθεί ο Tομ Υψηλάντης αναφέρεται στην ανακάλυψη του αντιπρωτονίου:

Η ανακάλυψη του αντιπρωτονίου καθιέρωσε τον Υψηλάντη ως ένα από τα λαμπρότερα νέα αστέρια στο πεδίο της φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων και το 1956 έγινε καθηγητής στο τμήμα Φυσικής του Berkeley. Αργότερα, η επιστημονική του συνεισφορά συνεχίστηκε στην Ευρώπη και στο CERN. Μεταξύ άλλων πρότεινε την τεχνική ανίχνευσης που αργότερα ονομάστηκε Ring-Imaging CHerenkov (RICH) και εφαρμόστηκε στο πείραμα DELPHI στον LEP, ενώ είχε επίσης σημαντική συμβολή στο πείραμα LHCb.

Το 1966-67 ο Υψηλάντης έκανε και ένα σύντομο πέρασμα από την Ελλάδα, όταν αποδέχθηκε πρόσκληση του τότε διευθυντή του Ινστιτούτου Πυρηνικής Φυσικής Δημόκριτος, Τ. Κανελλόπουλου, για να δημιουργήσει ένα ερευνητικό πρόγραμμα. Εκεί, εργάστηκε με  Έλληνες φυσικούς για την κατασκευή ενός συστήματος ανάλυσης θαλάμου φυσαλίδων. Μάλιστα, κατάφερε να πείσει την τότε ελληνική κυβέρνηση για τη χρηματοδότηση αυτού του προγράμματος με το ποσό των 100.000 δολαρίων ανά έτος. Αυτή η ερευνητική ομάδα του Υψηλάντη συνεργάστηκε στη συνέχεια με τον Η. Muirhead στο Λίβερπουλ με σκοπό τη μελέτη των αλληλεπιδράσεων πρωτονίων στα 7 GeV.

Διαβάστε περισσότερα:
1. Herbert Steiner, «Thomas Ypsilantis—The Early Years«,, NIM, A (2003) 1-8
2. O. Chamberlain, E. Segrè, C. Wiegand and T. Ypsilantis,»Observation of Antiprotons«, Phys. Rev. 100 (1955) 947
3. O. Chamberlain, «The early antiproton work», Nobel Lecture, December 11, 1959