Király Péter
KFKI RMKI

Múlt év decemberében, 93 éves korában hunyt el George Dixon Rochester, a Királyi Társaság tagja, a Durhami Egyetem nyugalmazott tanszékvezetője, aki fiatalabb munkatársával, C.C. Butlerrel együtt 1946-ban és 1947-ben ködkamrás felvételeken két addig ismeretlen részecskét fedezett fel, amelyek később az első ritka részecskéknek (semleges és pozitív kaonnak) bizonyultak. George Rochester több éven át Jánossy Lajos legközelebbi angliai munkatársa volt. A második világháború idején Manchesterben ők ketten végezték azt az alapvető fontosságú kísérletsorozatot, amely az áthatoló kozmikus sugárzási záporok számos tulajdonságát tisztázta, és amely a háború után az első ritka részecskék felfedezéséhez is elvezetett. Tudományos kapcsolatuk Jánossy Lajos Dublinba távozása, majd Magyarországra való hazatérése után sem szűnt meg, és tanítványaik körében ez az együttműködés - elsősorban Sir Arnold Wolfendale-nek, az Európai Fizikai Társaság nemrégiben leköszönt elnökének köszönhetően - mind a mai napig folytatódik.

A manchesteri kozmikus sugárzási iskola megalapítója a későbbi Nobel-díjas P.M.S. Blackett volt, aki 1937 őszén vette át a fizika tanszék vezetését a Nobel-díjas W.L. Braggtől, aki viszont Rutherford halála után a Cavendish Laboratórium irányítását vette át. Blackett, aki 1932-33-ban G.P.S. Occhialini fiatal olasz kutatóval együtt a másodlagos kozmikus sugárzásban felfedezte és helyesen értelmezte az elektron-pozitron párkeltés jelenségét, 1933-tól 37-ig Londonban, a Birkbeck Kollégiumban hozott létre kutatócsoportot kozmikus sugárzási jelenségek vizsgálatára. Jánossy Lajos e csoporthoz csatlakozott 1937 januárjában. Blackett manchesteri csoportja 1938-ban részben a Birkbeck Kollégiumból magával hozott kutatókból alakult, akik közé tartozott Jánossy Lajos több korábbi szerzőtársával, így J.G. Wilsonnal együtt, részben pedig azokból a korábban Bragg tanszékén dolgozó kutatókból, akik hajlandók voltak addigi röntgen-spektroszkópiával kapcsolatos témáikról kozmikus sugárzási kutatásokra váltani. Ez utóbbiak közé tartozott G.D. Rochester, valamint Bernard Lovell, a háború utáni rádiócsillagászat egyik megalapítója is.

Blackett nemzetközi ismertsége és dinamizmusa számos jónevű látogatót és vendégkutatót vonzott a manchesteri tanszékre. Így előadást tartott vagy hosszabb-rövidebb ideig ott dolgozott Auger, Bhabha, Carmichael, Occhialini, Heisenberg, Heitler, Rossi, Wataghin és Williams [1], hogy csak a legismertebbeket említsük. Jánossy Lajos, aki 1937-ben Németországból érkezett Angliába, már komoly kozmikus sugárzási és elméleti ismeretekkel rendelkezett, így a tanszék legtöbb kutatási témájába bekapcsolódott, és a tanszéki kutatók mellett több vendégkutatóval közösen is jelentek meg publikációi [1, 2]. A világháború kitörésekor Blackett és tanszékének legtöbb angol tagja elhagyta Manchestert, és különböző állomáshelyeken hadi vonatkozású kutatásokkal kezdett foglalkozni (magának Blackettnek például nagy szerepe volt egy eredetileg katonai akciók optimalizálására szolgáló új tudományág, az operációkutatás megalapozásában, de több kutató fejtett ki fontos tevékenységet a radar-felderítéssel kapcsolatos kutatásokban is). George Rochester először szintén egy radarállomásra került, de mivel hamar kiderült, hogy ott fizikusi szakértelmére nincs szükség, visszavezényelték Manchesterbe, hogy néhány ottmaradó fizikussal, így Jánossy Lajossal együtt lássa el az oktatási feladatokat, valamint vegyen részt az egyetemi légoltalmi és tűzrendészeti őrségben. Mivel Manchesterben kevés bombázás volt, ez utóbbi feladatok nem adtak túl sok munkát, és felmerült az igény, hogy Jánossy korábbi munkáit folytatva kutatással is foglalkozzanak. Blackett ezt azzal a feltétellel engedélyezte, hogy csak tanszékük meglévő berendezéseit és erőforrásait használhatják.

Jánossy egyik berendezése, amelyet korábban Peter Inglebyvel közösen épített és használt az úgynevezett áthatoló kozmikus sugárzási záporok vizsgálatára, működőképes állapotban volt, s első lépésként ennek felhasználása mellett döntöttek. (Sajnos Ingleby 1940 elején egy harcirepülőgép lezuhanása során életét vesztette.) E berendezéssel mutatták ki korábban [3], hogy vastag, mintegy 50 cm-es ólomárnyékolás mögött is megjelenik időnként egy-egy "zápor", vagyis olyan részecskecsoport, amely az ólom fölött elhelyezett számlálókkal közel egyidejűen, koincidenciában észlelhető. E záporok gyakorisága azonban csak csekély hányada volt azokénak, amelyek ólom nélkül vagy vékony ólomrétegek alatt voltak észlelhetők, s amelyek viselkedése jól magyarázható az elektron-pozitron párkeltés, valamint a töltött részecskék gamma-keltésének ismert törvényszerűségeivel. A Jánossyék, valamint Wataghin által felfedezett áthatoló záporok további vizsgálata ritkaságuk miatt hosszú mérési időt igényelt, viszont a szükséges berendezések elég egyszerűek és könnyen módosíthatóak voltak. E kutatások az akkor legérdekesebbnek tekintett területen, a nukleáris kölcsönhatások és a mezonok keltése terén ígértek új eredményeket. Különösen fontosnak látszott, hogy egy újonnan építendő, koincidenciákkal vezérelt ködkamra segítségével megállapítsák, hogy e záporokban nagy áthatoló-képességű töltött részecskék is keletkeznek-e, és hogy azonosítsák a záporokat keltő részecskéket.

Egy viszonylag gyenge felbontású ködkamra a tanszéken meglévő anyagokból hamar elkészült, és már 1941ben készítettek olyan felvételt, amelyen három egy pontból kiinduló áthatoló részecske látható. A záporokat keltő részecskék azonosítására 1942-ben a korábbinál jóval bonyolultabb berendezést építettek, amely hét Geiger-Müller-számlálókból álló réteget tartalmazott, mintegy 15 tonna ólomba ágyazva. E rétegek az események kiválasztásánál részben koincidencia, részben antikoincidencia feltételeknek tettek eleget, s a kirótt feltételek rugalmasan változtathatók voltak [1]. E berendezés segítségével 1943-ban például kimutatták, hogy az áthatoló záporoknak mintegy harmadát keltik semleges részecskék, feltételezésük szerint neutronok. E felfedezésnek nagy jelentősége volt az akkori mezonkeltési elméletek szempontjából. A munkákba később egy fiatal kollégájuk, Douglas Broadbent is bekapcsolódott, akivel a háború után Jánossy Lajos számos közös dolgozatot írt. Az 1. képen látható 1944-ben készült felvétel hármójukat mutatja a manchesteri laboratóriumban, az áthatoló zápor berendezés mellett.

George Rochester 1944-ben a korábbinál jóval jobb minőségű, nagy mélységű, ólomlemezt is tartalmazó ködkamrát készített, amelyet a korábbiakhoz hasonlóan áthatoló zápor berendezés vezérelt. Az 1944-ben és 45-ben készült felvételek már jó felbontással mutatják az ólomlemezből kilépő záporokat [1], de sajnos a háborús viszonyok között jelentős mágneses tér keltésére nem volt lehetőség, így a kilépő részecskék töltésének előjele nem volt megállapítható. Mindenesetre e tapasztalatok rendkívül hasznosak voltak a háború utáni munkák, valamint a V-részecskék (mai néven ritka részecskék) felfedezése szempontjából.

Jánossy Lajos és George Rochester a háború alatti kutatásokról nyolc dolgozatban számolt be. Módszereik újszerűségét és hatékonyságát jól jellemzi az amerikai Carl Anderson, a pozitron és müon Nobel-díjas felfedezőjének visszaemlékezése [4]. A háború után a katonai hatóságok Anderson rendelkezésére bocsátottak egy B-29-es óriásbombázót, hogy annak fedélzetén kozmikus sugárzási méréseket végezzen. Mint ismert, a kozmikus sugárzás, különösen annak nukleáris összetevője, nagy magasságban sokkal nagyobb intenzitású, mint a tengerszint közelében. Bár méréseit eredményesnek ítélte, utólag azokat Anderson - mint arra Rochester professzor felhívta a figyelmemet - a következőképpen kommentálta:

A háború befejeztével visszatért Manchesterbe Blackett, valamint a korábbi munkatársak, és folytatódott a sokoldalú kutató munka. Lovell vezetésével létrejött Manchester közelében, Jodrell Bankben a rádiócsillagászat egyik legnagyobb és legeredményesebb obszervatóriuma. Blackett a háború idején elért, áthatoló záporokkal kapcsolatos eredményeket igen nagyra értékelte, és folytatásukat javasolta. Jánossy Lajos Schrödinger és Heitler meghívására hamarosan Dublinba ment az új kozmikus sugárzási részleg első professzoraként, míg George Rochester egy új munkatárssal, C.C. Butlerrel együtt folytatta a megkezdett munkát. A ködkamra-felvételek értelmezéséhez most már az erős mágneses tér sem hiányzott. Céljuk a korábban Jánossyval együtt tanulmányozott áthatoló záporok alaposabb ködkamrás vizsgálata volt. Mintegy 1500 órás megfigyelési idő alatt 5000 felvételt készítettek, amelyek közül mintegy 50-en látszottak áthatoló záporok. E záporok általános statisztikus vizsgálatán túlmenően azonban szokatlan egyedi eseményeket is találtak.

1946 októberében az egyik áthatoló zápor felvételén két érdekes, villaként vagy V-betűként kettéágazó részecskenyomora bukkantak. Befutó nyom nem volt látható, míg a két kimenő nyom fényhez közeli sebességű, minimálisan ionizáló pozitív, illetve negatív részecskének felelt meg. Mindkettő impulzusa csak mintegy 350 MeV/c volt, így a nagy sebességű pozitív részecske nem lehetett proton. A két nyom a két irányból készített felvételek tanúsága szerint pontosan ugyanabból a pontból indult ki, de ez a pont a gázban, nem pedig az ólomlemezben volt. Ez arra utalt, hogy nem ütközést, hanem bomlást figyeltek meg, hiszen ütközés esetén sokkal több hasonló eseményt várhattak volna a vastag ólomlemezből, mint a gázból. Az esemény jellemzőit hosszas próbálkozás után sem tudták az ismert részecskék segítségével értelmezni - a bomló semleges részecske tömegének jóval nagyobbnak kellett lennie, mint az addig észlelt mezonoké, de kisebb, mint a protoné és neutroné. Némileg hasonló villaszerűen szétágazó nyompárt találtak hét hónappal később, 1947 májusában. Kiderült azonban, hogy ezúttal a villa két ágát nem két kimenő részecske, hanem egy bejövő és egy kimenő pozitív töltésű részecske szolgáltatta. A villa csúcsa ismét a gázban volt, és a kinematikai számítások ismét az előzőhöz hasonló, az elektronnál mintegy ezerszer nagyobb tömegű bomló részecskére utaltak, de az egyik kimenő részecske itt semleges volt, így nem hagyott nyomot a ködkamrában.

A semleges és pozitív V-részecske felfedezését Rochester és Butler 1947 decemberében közölte hivatalosan a Nature című folyóiratban [5]. Ezt megelőzően azonban Jánossy Lajos meghívására Rochester Dublinba utazott, hogy ott szemináriumi előadásban adjon számot felfedezésükről és a felvételek értelmezéséről. A ködkamra-felvételeket már korábban elküldte Dublinba, és Jánossy meghívó levele szerint (amelyet Jánossy halála után Rochester professzor volt szíves lemásolni nekem) azt ott már széles körben meg is vitatták. Ekkor már hosszabb ideje Dublinban dolgozott két jól ismert elméleti fizikus, Walter Heitler és Herbert Fröhlich, akiknek az előadáson és az azt követő vitákban való részvételét Jánossy különösen fontosnak ítélte. Mivel 1948 elején mindketten elhagyták Dublint, az előadásra még 1947-ben kellett sort keríteni. Mint visszaemlékezésében [1] G.D. Rochester írja, ez volt eredményeik első külföldi bemutatása. Kiemeli, hogy a szemináriumon Írország vezető politikusa és többszöri elnöke, Eamon de Valera is részt vett.

Az 1947-es év nem csak a V-részecskék felfedezése miatt volt fontos az elemi részecskék fizikájának történetében. A nagyrészt Bristolban kidolgozott, a ködkamránál finomabb részleteket is mutató fotoemulziós technika segítségével ekkor figyelték meg ugyanis először a pion müonná és egy semleges részecskévé (neutrínóvá) való bomlását. Ez véglegesen igazolta a kétféle "mezon" (vagyis elektron és proton közé eső tömegű részecske) létét, amelyek közül csak az egyik (a pion) vesz részt erős kölcsönhatásokban, így ez felel meg a Yukava által 1935-ben megjósolt, a magerőket közvetítő részecskének, míg a müon nehéz elektronként viselkedik. Ez az eredmény egy több mint évtizedes vita lezárását jelentette. A V-részecskék felfedezése ezzel szemben új fejezetet nyitott az elemi részecskék fizikájában, s mai terminológiánk szerint a ritka kvarkot is tartalmazó részecskék első jól dokumentált példáit adta.

Rochester és Butler V-részecskéit nem követte azonnal a hasonló események tömeges felfedezése. Sőt, berendezésüket még két évig üzemeltetve egyetlen új ilyen eseményt sem találtak. Már ekkor világos volt azonban, hogy a kozmikus sugárzás nukleáris komponensével kapcsolatos események sokkal gyakoribbak nagy tengerszint feletti magasságokban, mint a tengerszinten. Magas hegyeken, repülőgépeken és ballonokon indult meg a kutatás, A manchesteri csoport a Pireneusokban a Pic du Midi csúcson, 2867 m magasságban kezdte meg kutatóállomás kiépítését. De már 1949-ben, a berendezés üzembehelyezése előtt, Blackett levelet kapott Carl Andersontól, amely szerint az amerikai csoport már mintegy harminc hasonló V-nyomot észlelt. A Pic du Midin az észlelések 1950 júliusában kezdődtek, és hat hónap alatt 43 V-részecskét találtak [1]. A hasonló események száma 1953-ig ezernél nagyobbra nőtt.

Rövidesen kiderült, hogy V-alakú nyomok nem csak kaonok, hanem nagyobb tömegű mezonok és hiperonok bomlásából is származhatnak, s a kutatás számos új, akkor eleminek tekintett részecske felfedezésére vezetett. Hamarosan megjelent az első olyan gyorsító is, amely kaonok keltésére már képes volt (a Cosmotron a Brookhaveni Laboratóriumban, 1952-53), s az 50-es évek közepétől kezdve a legtöbb elemirész-fizikai felfedezés már a gyorsítókhoz kapcsolódott. A kaonoknak később alapvető szerepe volt mind a paritás (P), mind a töltéskonjugációval kombinált CP szimmetria-sértésének kimutatásában. Így a Manchesterben talált két V-nyomról valóban elmondhatjuk, hogy utólag hatalmas karriert futottak be, s a modern fizika alapkövei közé tartoznak.

A manchesteri kozmikus sugárzási csoport 1953-ban lényegében megszűnt, mivel Blackett ekkor átvette a londoni Birodalmi Kollégium (Imperial College) vezetését. A volt munkatársak egy része vele ment, mások különböző kutatóintézetek és tanszékek irányítását vették át. George Rochester Durhamben, J.G. Wilson Leedsben lett professzor, s mindketten továbbra is a kozmikus sugárzás területén tevékenykedtek. C.C. Butler Londonban, Jánossy Lajos Budapesten, a KFKI-ban és az ELTE Atomfizika Tanszékén folytatta kozmikus sugárzási kutatásait. Jánossy és Rochester között a kapcsolat fennmaradt, így Rochester Budapestre is ellátogatott, Jánossy több munkatársa számára pedig lehetőség nyílt arra, hogy a 60-as és 70-es években Durhamben végezzen egy vagy több éves kutatómunkát (Somogyi Antal, Pintér György, Király Péter, Kóta József). George Rochester 65 éves korában adta át a tanszék vezetését Arnold Wolfendale-nek, aki szintén Manchesterben végzett, és a kozmikus sugárzási témát folytatta. Az átadási ünnepségek után egy észak-angliai kirándulás alkalmával, amelyen e megemlékezés szerzője is részt vett, készültek az utolsó közös képek Jánossy Lajosról és George Rochesterről.

1. G.D. ROCHESTER: The early history of the strange particles - In: Y. Sekido, H. Elliot (szerk): Early history of cosmic ray studies, D. Reidel Publishing Company, 1985. 299-321
2. JÁNOSSY LAJOS: Papers published from 1934 to 1961 - 3. kötet. KFKI kiadvány, Budapest, 1962.
3. L. JÁNOSSY, P. INGLEBY: Penetrating cosmic ray showers - Nature 145 (1940) 511
4. C.D. ANDERSON: Unraveling the particle content of cosmic rays - In: Y. Sekido, H. Elliot (szerk): Early history of cosmic ray studies, D. Reidel Publishing Company, 1985. 117-132
5. G.D. ROCHESTER, C.C. BUTLER: Evidence for the existence of new unstable elementary particles - Nature 160 (1947) 855 - Magyar fordítása: Új bomlékony elemi részecskék létezésének kimutatása - Magyar Fizikai Folyóirat, Klasszikus Sorozat V., a Kozmikus Sugárzás, 1960. 107-112