Geimgeislarannsóknir Þorbjörns Sigurgeirssonar í Princeton og þáttur þeirra í þróun öreindafræðinnar

Í hausthefti Skírnis 2025 (bls. 267-300) birtist mjög athyglisverð grein, Eðlisfræðingur verður til: Nám og rannsóknir Þorbjörns Sigurgeirssonar á árunum 1937-1947, eftir  Steindór J. Erlingsson vísindasagnfræðing. Eins og titillinn gefur til kynna fjallar greinin um þann áratug í lífi Þorbjörns sem mótaði hann sem eðlisfræðing. Steindór gerir námi hans og síðar rannsóknum í kjarneðlisfræði í Kaupmannahöfn, Stokkhólmi og Princeton mjög góð skil, enda er umfjöllunin að hluta byggð á gögnum sem ekki hafa komið fram áður, svo sem ýmsum bréfum og dagbókarfærslum. Greinin er mikilvægt framlag til eðlisfræðisögu Íslendinga og ég hvet alla, sem áhuga hafa á því efni, að lesa þessa nýjustu ritsmíð Steindórs.

Hvað mig snertir, varð þetta verk vísindasagnfræðingsins mér hvatning til að takast á við gamalt áhugamál, það er að segja geimgeislarannsóknir Þorbjörns við Princetonháskóla og tengsl þeirra við þróun tilraunaöreindafræðinnar á tímabilinu frá byrjun kreppunnar miklu til upphafs geimaldar. Ég safnaði því saman ýmsu efni sem ég átti þegar í fórum mínum og hafði jafnframt samband við veraldarvefinn til að grafa upp frekari upplýsingar og heimildir. Árangurinn af þessu grúski mínu er að finna í því sem hér fer á eftir.

Efnisyfirlit

I.    Frá Rockefellerstofnuninni til Princetonháskóla

II.  Nokkur orð um eðlisfræði við Princetonháskóla á eftirstríðsáunum

1. Upphaf geimgeislarannsókna í Princeton

III. Örlítið um öreindafræði fyrir daga seinni heimsstyrjaldarinnar

1. Mesótrónan

IV. Hvernig sýnt var fram á að mesótrónan væri ekki Yukawa-eindin

1. Miðeindin (mesótrónan) á eftirstríðsárunum
2. Rómarhópurinn
3. Princetonhópurinn – Framlag Þorbjörns Sigurgeirssonar
4. Stutt innskot: Tækjasmíði Þorbjörns í Kaupmannahöfn
5. MIT-hópurinn
6. Annað stutt innskot: Ráðstefnan á Sheltereyju í júní 1947

V.   Yukawa-eindin finnst í geimgeislum

VI. Fleiri nýjar eindir – Hraðlar taka völdin – Þorbjörn enn  

VII. Geimgeislamælingar í V-2 flugskeytum

1. Þorbjörn og geimskotið 7. nóvember 1946

Viðauki A:  Öreindir og nöfn þeirra

Viðauki B: Rit um og eftir Þorbjörn Sigurgeirsson

.

I.  Frá Rockefellerstofnuninni til Princetonháskóla

Eins og fram kemur hjá Steindóri í Skírnis-grein hans, breyttu kjarnorkuárásirnar á Hiroshima og Nagasaki í ágúst 1945 öllum framtíðaráformum hins þá tiltölulega nýbakaða eðlisfræðings, Þorbjörns Sigurgeirssonar.

Eftir að hafa unnið í um það bil fjóra mánuði að rannsóknum í líffræðilegri eðlisfræði (biophysics) hjá W.M. Stanley við Rockefellerstofnunina í Princeton, hóf Þorbjörn  aftur rannsóknir í kjarneðlisfræði í ársbyrjun 1946, nú við eðlisfræðideild Princetonháskóla. Þar starfaði hann í rúmlega eitt og hálft ár sem gestavísindamaður (visiting Princeton Fellow) undir verndarvæng Johns A. Wheeler, vinar og fyrrum samstarfsmanns Níelsar Bohr.

Hér má geta þess, að á þessum árum var Rockefellerstofnunin aðeins í nokkurra kílómetra fjarlægð frá Princetonháskóla og þegar hún var endanlega flutt til New York í kringum 1950 keypti skólinn bæði byggingar og land af stofnuninni og breytti nafninu á svæðinu í Forrestal Campus. Þar kom skólinn svo fyrir stofnun í plasmaeðlisfræði (1951-) ásamt samhraðli sem kenndur var við bæði Princeton- og Pennsylvaníuháskóla (1957-1971).

.

II.  Nokkur orð um eðlisfræði við Princetonháskóla á eftirstríðsáunum

Seinni heimsstyrjöldin hafði margvísleg áhrif á bandaríska háskóla. Til dæmis munu um 75% eðlisfræðinga við Princetonháskóla hafa tekið þátt í Manhattan-verkefninu, en sem kunnugt er snerist það um smíði fyrstu kjarnorkusprengjanna. Að stríðinu loknu sneru flestir þeirra aftur til fyrri starfa við kennslu og rannsóknir.

Í næsta nágrenni Princetonháskóla er hið þekkta og sjálfstæða fræðasetur Institute for Advanced Study, þar sem aðallega eru stundaðar rannsóknir í stærðfræði, kennilegri eðlisfræði og ýmsum hugvísindum. Þótt ekkert formlegt samband sé milli skólans og setursins er samvinna talsverð, einkum hvað varðar fyrirlestrahald og rannsóknarverkefni.

• Vefsíða: Nuclear Princeton.
• Armstrong, A.C. & A. Lichterman, 2016: Princeton University During World War II. 
• PAW, 1945: Princeton, Albert Einstein, and the Bomb.
• Musselwhite, G., 2023: After ‘Oppenheimer,’ a look back at Princeton’s complicated role in nuclear history.
• Vefsíða: IAS: Mission & History.

Umhverfið sem kjarneðlisfræðingurinn Þorbjörn Sigurgeirsson hrærðist í á árunum 1946-47 var því síður en svo af verri endandum og af verkum hans í Princeton má sjá, að hæfileikar hans hafa notið sín vel. Að auki er ljóst að hann var þá þegar farinn að undirbúa ferðina heim, því í viðtali sem birtist við hann eftir komuna til Íslands haustið 1947 segir meðal annars:  „Ég hafði talsvert af tækjum með mér að vestan, svo að ég er starfhæfur. Ég smíðaði mér öll nauðsynlegustu áhöld á rannsóknarstofunni í Princeton og fékk þar efni eftir þörfum.“

II.1  Upphaf geimgeislarannsókna í Princeton

Þegar Wheeler kom aftur til starfa við háskólann eftir stríð var hann uppfullur af hugmyndum um ný rannsóknarverkefni á sviði kjarna- og öreindafræði. Um það má til dæmis lesa í grein P. Galisons frá 2005, Physics between War and Peace (sjá bls. 373-380) og í grein Wheelers sjálfs frá 1946, Problems and Prospects in Elementary Particle Research. Hvað varðar viðfangsefni þessarar færslu, er umfjöllun hans um miðeindir (mesons) á síðum 43-44 einna áhugaverðust, en þessar dularfullu agnir voru eitt heitasta fyrirbærið í tilraunaöreindafræði á eftirstríðsárunum. Nánar verður rætt um miðeindir hér á eftir, en þeim lesendum sem hafa áhuga á að kynna sér almenna stöðu rannsókna í öreindafræði á þessum árum má benda á eftirfarandi heimildir (sjá einnig kafla V.1):

• Weinberg, S., 1977: The Search for Unity: Notes for a History of Quantum Field Theory.
• Brown, L.M. & L. Hoddeson, 1982: The Birth of Elementary-Particle Physics.
• Brown, L.M. & L. Hoddeson (ritstj.), 1983: The Birth of Particle Physics.
• Pais, A., 1986: Inward Bound: Of Matter and Forces in the Physical World.
• Fitch, V.L., 1999: Elementary Particle Physics: The Origins.

Einnig má finna gagnlegar upplýsingar um ýmsar öreindir í viðauka A aftast í þessari færslu.

Árið 1936 hafði að frumkvæði Wigners verið settur upp hringhraðall í kjallara Palmer Hall og mun hann hafa verið notaður til ýmissa rannsókna í kjarneðlisfræði. Það var þó ekki fyrr en Wheeler kom aftur til starfa við Princetonháskóla árið 1945, sem tilraunaöreindafræði náði þar fótfestu fyrir alvöru. Um það segir í yfirlitsskýrslu öreindafræðinga skólans, sem kom út 1995 (bls. 3):

Elementary particles research at Princeton University had its beginning in a group which […] was organized by Professor John A. Wheeler in 1945 and was supported by the Office of Naval Research, which continued to supply support until 1968. The buildings, a staff of technicians, and some of the scientists came from a wartime development project, and the remainder of the scientific staff were young faculty who joined the University following the end of the war. […] The scientific impetus for the organization of the post-war research activity was Wheeler’s interest in cosmic rays, their origin and their constitution.

Þarna kemur meðal annars fram, að á eftirstríðsárunum hafði Wheeler verulegan áhuga á geimgeislum og safnaði í kringum sig hópi manna til rannsókna á þeim. Í viðtölum sem tekin voru við hann á árunum 1993-95 segir hann meðal annars þetta (session 07, bls. 16):

If an already used laboratory was to be the center for this work, then also the people with whom we started were people who had already been used. There was W. Y. Chang, Chinese, and there was Thorbjorn Sigurgeirsson from Iceland, as specially qualified physicists to begin. There is a lovely account of Sigurgeirsson’s later on in life saving Iceland’s lone south coast port from being overwhelmed by lava flow by spraying water on the lava, in a book by John McPhee.

Í öðru viðtali (session 13-22, bls. 15-16) heldur hann áfram með þessum orðum:

The Icelander Thorbjorn Sigurgeirsson brought to use on the cosmic-ray problem techniques that he had learned from nuclear physics work on the Princeton cyclotron¹. Put a particle counter above a pancake-sized piece of lead to detect the arrival of a cosmic-ray particle and put a battery of counters below the pancake to discover what, if anything, came out. In this way, Thorbjorn compared lead with other materials in their ability to stop the cosmic rays. – [¹Athugasemd frærsluhöfundar: Skv. þessu kann Þorbjörn að hafa unnið að einhverjum rannsóknum með hringhraðli Princetonháskóla eftir að hann hóf þar störf, en rétt er að hafa í huga að hann hafði áður unnið talsvert við slíka hraðla, bæði í Kaupmannahöfn og Stokkhólmi.]

Í þessum viðtölum, sem Wheeler notaði síðar við ritun ævisögu sinnar, Geons, Black Holes & Quantum Foam (1998), kemur glögglega fram, að helstu tilraunaeðlisfræðingarnir í geimgeislahópnum í byrjun voru þeir Þorbjörn og Kínverjinn W.Y. Chang. Síðar bættist hæfileikaríkur doktorsnemi í kennilegri öreindafræði í hópinn, Brasilíumaðurinn J. Tiomno, en þá var Þorbjörn reyndar hættur og fluttur til Íslands.

Áður en lengra er haldið er rétt að huga stuttlega að bakgrunni verkefnisins sem Þorbjörn vann að við Princetonháskóla, bæði sögu geimgeislarannsókna almennt og þó sérstaklega sögu rannsókna á miðeindinni. Hvað almennu söguna varðar læt ég hér nægja að benda á eftirfarandi ritsmíðar:

• Þorbjörn Sigurgeirsson, 1949: Geimgeislar (gott og hnitmiðað yfirlit yfir söguna fram til 1949).
• Einar Júlíusson, 1987: Geimgeislar (m.a. söguyfirlit ásamt umfjöllun um rannsóknir Þorbjörns [bls. 356-57] og Einars sjálfs [bls. 360-]).
• Páll Theodórsson, 1996: Measurement of Weak Radioactivity. Mjög fróðlegt og gagnlegt yfirlitsrit. Sjöundi kaflinn fjallar um geimgeisla.
•  
• Rossi, B., 1948: Interpretation of Cosmic-Ray Phenomena.
• Walter, M. & A.W. Wolfendale, 2012: Early history of cosmic particle physics.
• Peyrou, Ch., 1982: The Role of Cosmic Rays in the Development of Particle Physics.
• Cirkel-Bartelt, V., 2008: History of Astroparticle Physics and its Components.

.

III.  Örlítið um öreindafræði fyrir daga seinni heimsstyrjaldarinnar

Við lestur þessa þessa kafla er gagnlegt að hafa í huga að í árslok 1931, einum fjórum árum eftir að nútíma skammtafræði var því sem næst fullmótuð, þekktu eðlisfræðingar aðeins þrjár til fjórar gerðir öreinda. Tilraunir höfðu sýnt fram á tilvist rafeinda, ljóseinda og róteinda, en þótt hugmyndin um fiseindina væri sett fram árið 1930 og vel tekið, fannst eindin ekki í tilraunum fyrr en 1956. Einnig er rétt að minna á, að grunnurinn að skammtarafsegulfræði var lagður árið 1927, en ýmis innri og ytri vandamál gerðu það að verkum að kenningin náði ekki fullum þroska fyrr en 1949.

Tvær nýjar öreindir, nifteindin og jáeindin, fundust árið 1932 og ýmsar aðrar merkar uppgötvanir, tengdar hinum smáa heimi, voru gerðar sama árið. Þessar nýungar urðu til þess að kjarna- og öreindafræði fékk byr undir báða vængi, reyndar svo mjög að stundum er talað um 1932 sem kraftaverkaárið.

Árið 1933 var sett fram gagnleg kenning um veika kjarnakraftinn sem þrátt fyrir ýmsa galla reyndist vel. Um svipað leyti efldust tilraunir kennilegra eðlisfræðinga til að skilja þann sterka kraft sem hlaut að verka milli róteinda til að halda þeim saman í atómkjörnum og næði einnig til nifteindanna í kjörnunum. Það varð til þess, að árið 1934 stakk Japaninn H. Yukawa upp á því að sérstök og áður óþekkt tegund öreinda bæri sterka kraftinn milli kjarnaeindanna. Hann kallaði þessa nýju ögn ýmist U-skammtinn (e. U-quantum) eða þunga skammtinn (e. heavy quantum) og áætlaði að hún væri um það bil 200 sinnum massameiri en rafeindin (og þar með um 10 sinnum massaminni en róteindin). Til þæginda verður hér, að minnsta kosti í bili, notast við nafnið Yukawa-eindin í stað nafnanna sem Yukawa sjálfur gaf ögninni.

• Yukawa, H., 1935: On the Interaction of Elementary Particles. I.
• Bromberg, J., 1971: The Impact of the Neutron: Bohr and Heisenberg.
• Carson, C, 1996: The Peculiar Notion of Exchange Forces – II: From Nuclear Forces to QED.
• Zichichi, A., 2007: Yukawa´s Gold Mine.

III.1  Mesótrónan

Það tók eðlisfræðinga nokkurn tíma að melta hugmynd Yukawa, en eftir að Bandaríkjamennirnir C.D. Anderson og S.H. Neddermeyer fundu nýja eind í geimgeislum árið 1936 með massa sem var svipaður útreiknuðum massa Yukawa-eindarinnar jókst áhuginn verulega. Margir eðlisfræðingar töldu að þarna væri Yukawa-ögnin fundin og margir þeirra, þar á meðal C. Møller, fyrrum kennari Þorbjörns í Kaupmannahöfn, hófu í kjölfarið kennilegar rannsóknir, byggðar á hugmyndum Yukawa um sterka kjarnakraftinn (sjá t.d. 5. kaflann í ævisögu Møllers eftir H. Kragh frá 2023, From Quanta to Gravitation – The Science and Life of Christian Møller). Á fyrstu árunum eftir seinni heimsstyrjöldina var þetta einnig eitt helsta rannsóknarsvið J.A. Wheelers í Princeton. Jafnframt ber að geta þess, að Møller var aðalkennari Þorbjörns Sigurgeirssonar við magistersnámið í Kaupmannahöfn og leiðbeindi honum við samningu lokaritgerðarinnar, Oversigt over de foreliggende eksperimenter over sammenstød mellem nucleoner og redegørelse for de slutninger, der af disse kan drages angående kærnekræfternes beskaffenhed, sem hann varði vorið 1943. Eins og titillinn gefur til kynna fjallaði ritgerðin um sterka kjarnakraftinn.

Þeir Anderson og Neddermeyer gáfu ögninni sem þeir fundu árið 1936 nafnið mesotron. Við rannsóknirnar notuðu þeir svokallað þokuhylki, örlítið frábrugðið því sem sýnt er á myndinni hér fyrir neðan. Að auki notuðu þeir rafsegul til að mynda segulsvið inni í hylkinu.

• Anderson, C.D. & S.H. Neddermeyer, 1936: Cloud Chamber Observations of Cosmic Rays at 4300 Meters Elevation and Near Sea-Level.
• Neddermeyer, S.H. & C.D. Anderson, 1937: Note on the Nature of Cosmic-Ray Particles.
• Anderson, C.D. & S.H. Neddermeyer, 1938: Mesotron (Intermediate Particle) as a Name for the New Particles of Intermediate Mass.
• Galison, P., 1982: The Discovery of the Muon and the Failed Revolution against Quantum Electrodynamic.

Áður en lengra er haldið er rétt að nefna að árið 1939 benti Indverski eðlisfræðingurinn H. Bhabha á að stytta mætti orðið mesotron í meson og var hugmynd hans tiltölulega fljótt viðtekin í heimi eðlisfræðinga. Íslenska þýðingin á orðunum er í báðum tilvikum miðeind.

Þótt það kunni að valda tímabundnum ruglingi meðal lesenda, skal þess einnig getið hér, að samkvæmt nafnakerfi nútíma öreindafræði flokkast mesótrónan nú sem létteind og ber nafnið mýeind. Samkvæmt sama kerfi tilheyrir Yukawa-eindin hins vegar flokki miðeinda og kallast píeind (sjá nánar í viðauka A aftast í færslunni).

.

IV.  Hvernig sýnt var fram á að mesótrónan væri ekki Yukawa-eindin

Við samningu þessa kafla studdist ég talsvert við eftirfarandi grein og heimildirnar sem þar eru nefndar:

• Monaldi, D., 2005:  Life of μ: The Observation of the Spontaneous decay of Mesotrons and its Consequences, 1938–1947.

Samkvæmt kenningu Yukawa gat eind hans hvort heldur verið neikvætt eða jákvætt hlaðin. Hún var jafnframt óstöðug og átti að sundrast í rafeind/jáeind og fiseind á tiltölulega skömmum tíma. Mælingar á mesótrónum sýndu fljólega að eiginleikar þeirra uppfylltu þessi skilyrði (þótt ekki tækist að sjá fiseindirnar). Mælingarnar sýndu einnig, að meðalævi mesótrónunar væri á bilinu 1 til 5 míkrósekúndur í kyrrstöðu (sjá í þessu sambandi umfjöllun um afstæðileg hrif á bls. 85-87 í grein Þorbjörns um geimgeisla frá 1949). Vandinn var bara sá, að kennilegair útreikningar bentu til þess að meðalævi Yukawa-eindarinnar ætti að vera um hundrað sinnum styttri. Þrátt fyrir þetta voru flestir kjarneðlisfræðingar þeirrar skoðunar að mesótrónan væri í raun Yukawa-eindin.

Árið 1939 birtu Yukawa og nemandi hans T. Okayama niðurstöður útreikninga á líkindindum þess að atómkjarnar hremmdu frjálsar en hægfara Yukava-eindir. Niðurstaða þeirra, byggð á kenningu Yukawa um sterka kjarnakraftinn, var sú að líkindin væru hverfandi í gasi. Í þéttum efnum væru líkindi á hremmingu hins vegar ávallt meiri en líkindin á betasundrun. Árið eftir bentu samlandar þeirra, þeir S. Tomonaga og G. Araki á, að í reikningunum hefði gleymst að taka tillit til rafkraftanna milli atómkjarnanna og hinna rafhlöðnu Yukawa-einda. Þeir Tomonaga og Araki endurreiknuðu síðan líkindin og tóku nú tillit til rafkraftanna. Áhrif þeirra reyndust umtalsverð. Hremmingarlíkindin reyndust minni en líkindin á sundrun nema fyrir þær eindir sem höfðu stöðvast í efninu. Hremmingarlíkindin fyrir jákvæðar Yukawa-eindir voru hverfandi, en fyrir kyrrstæðar neikvæðar eindir voru þær mun meiri en hjá Yamakawa og Okayama, þannig að hremming slíkra einda var óhjákvæmileg. Meginniðurstaðan var því sú, að í mælingum ættu að sjást dóttureindir frá betasundrun því sem næst allra jákvæðra og kyrrstæðra Yukawa-einda í öllum efnum, en engar frá þeim neikvæðu.

• Tomonaga, S. & G. Araki, 1940: Effect of the Nuclear Coulomb Field on the Capture of Slow Mesons.

Þessar niðurstöður þeirra Tomonaga og Araki voru að hluta staðfestar í þekktri tilraun Ítalans F. Rasetti árið 1941:

• Rasetti, F., 1941: Disintegration of Slow Mesotrons.

Á þessum tíma var seinni heimsstyrjöldin þegar farin að hafa gífurleg og lamandi áhrif á  allar þær vísindarannsóknir í Evrópu, sem ekki tengdust hernaði. Fjöldi framúrskarandi vísindamanna, ekki síst frá Mið-Evrópu og Ítalíu, höfðu flúið land, margir til Bandaríkjanna. Þegar Bandaríkjamenn hófu þáttöku í hildarleiknum í árslok 1941 versnaði ástandið í frjálsum vísindarannsóknum enn frekar. Það var því ekki fyrr en í stríðslok 1945 sem vísindamenn gátu almennt farið að anda léttar. Þetta átti til dæmis við um eðlisfræðinga, þar á meðal öreindafræðinga.

IV.1  Miðeindin (mesótrónan) á eftirstríðsárunum

Þegar kjarna- og öreindafræðingar Bandamanna sneru aftur til starfa að stríðinu loknu höfðu margir þeirra öðlast dýrmæta reynslu og þekkingu við vinnu, sem tengdist smíði kjarnorkusprengjunnar. Ekki hafði þó enn tekist að móta fullnægjandi kenningu um sterka kjarnakraftinn, en stóraukin fjárframlög til rannsókna í kjarneðlisfræði, einkum í Bandaríkjunum, gerði það að verkum að menn höfðu nú mun betri aðstöðu en áður til frekari og flóknari rannsókna.

Meðal þeirra fjölmörgu verkefna, sem tekin voru upp af fullum krafti á ný, voru rannsóknir á Yukawa-eindinni og mesótrónunni, sem flestir voru nú farnir að kalla miðeind. Meðal helstu hvatamanna að frekari rannsóknum á því sviði var J.A. Wheeler, eins og fram kemur í hinu þekkta erindi hans frá því í nóvember 1945:

• Wheeler, J.A., 1946: Problems and Prospects in Elementary Particle Research.

Þar segir meðal annars um miðeindir á bls. 44:

The mesons present us with the important question of possible modes of destruction other than simple radioactive decay:

1. can confirmation be obtained for preliminary indications that roughly half of the mesons whose energies are moderated in solid bodies undergo capture;
2. are negative mesons captured by atomic nuclei; and if so is the capture cross section a selective or a smoothly varying function of atomic numer;
3. is a radiative capture into a Bohr orbit ever a preliminary to complete absorption of a meson;
4. do positive mesons capture electrons;
5. if either type of capture process takes place, what are the end productives of the reaction?

Þarna er meðal annars að finna óbeinar tilvísanir í grein þeirra Tomonagas og Arakis frá 1940, en eins og áður var minnst á höfðu þeir sýnt fram á, að í mælingum ættu að sjást dóttureindir frá betasundrun jákvæðra Yukawa-einda í öllum efnum, en engar frá þeim neikvæðu.

Hvort sem það var Wheeler að þakka eða ekki, var á árunum 1946-47 lögð talsverð áhersla á rannsóknir á hremmingu og sundrun miðeinda í þéttu efni meðal þeirra öreindafræðinga, sem höfðu áhuga á þessum dularfullu eindum og þeir voru margir. Eitt áhugaverðasta viðfangsefnið var að kanna með tilraunum, hvort fyrrnefnd niðurstaða Tomonaga og Arakis væri rétt eða ekki. Þetta virðist meðal annars hafa leitt til vinsamlegrar samkeppni milli þriggja mismunandi rannsóknarhópa, sem öllum tókst að leysa vandamálið og birta fyrstu niðurstöður sínar árið 1947. Einn þeirra var hópur Wheelers og Þorbjörns við Princetonháskóla, annar starfaði við Rómarháskóla og hinn þriðji við MIT. Í hverjum hópi voru aðeins tveir til þrír eðlisfræðingar, sem þætti víst ekki mikið í tilraunaöreindafræði nútímans.

IV.2  Rómarhópurinn

Í Rómarhópnum voru þrír ítalskir eðlisfræðingar, þeir M. Conversi, O. Piccioni og E. Pancini, sem allir höfðu fengið menntun sína í hinu magnaða ítalska umhverfi í kjarna- og öreindafræði sem frumherjar eins og E. Fermi og B. Rossi höfðu mótað áður en þeir flúðu undan fasistum til Bandaríkjanna í lok fjórða áratugsins.

Þeir Piccioni og Conversi hófu samstarf snemma á fimmta áratugnum og ákváðu fljótlega að kanna tilgátu Tomonagas og Arakis frá 1940 með geimgeislamælingum í anda Rasettis frá 1941. Stríðið gerði allar aðstæður erfiðar, en með seiglu tókst þeim smám saman og með leynd (vegna hamlandi stefnu fasískra yfirvalda) að setja upp mun betri tilraunabúnað en Rasetti með því að nota nýjustu rafeindatækni. Árið 1944 luku þeir fyrstu mælingunum, en vegna stríðsins birtist útkoman ekki á alþjóðavettvangi fyrr en tveimur árum síðar. Niðurstöðurnar voru þær, að meðallíftími hægfara miðeinda væri í kringum 2,3 míkrósekúndur (1946a) og að um það bil helmingur þeirra sundraðist í gleypiplötu mælitækisins, sem var úr járni (1946b). Það gaf sterklega til kynna að atómkjarnar járnsins hremmdu hinn helminginn áður en hann sundraðist, rétt eins og Tomonaga-Araki kenningin sagði fyrir um.

Í þessum fyrstu mælingum gátu Ítalarnir ekki greint á milli jákvæðra og neikvæðra miðeinda. Í næstu lotu settu þeir því tvö segulmögnuð járnstykki fyrir ofan mælibúnaðinn, svokallaðar segulinsur, sem aðskildu jákvæðar og neikvæðar eindir áður þær lentu í gleypinum. Þegar hér var komið sögu hafði Pancini bætst í hópinn og með hinni nýju uppsetningu (sjá mynd af búnaðnum á næstu mynd) sýndu þremenningarnir fram á, að jákvæðar miðeindir væru fjórum sinnum líklegri til að sundrast í járngleypinum en hinar neikvæðu (1945). Sú niðurstaða var í samræmi við kenningu Tomonagas og Arakis.

• Conversi, M. & O. Piccioni, 1946a: On the Mean Life of Slow Mesons. Mælingar frá. 1944.
• Conversi, M. & O. Piccioni, 1946b: On the Disintegration of Slow Mesons. Mælingar frá 1944.
• Conversi, M., E. Pancini, & O. Piccioni, 1945: On the Decay Process of Positive and Negative Mesons.

Á fyrri hluta ársins 1946 virðist Rómarhópurinn hafa verið orðinn sannfærður um að miðeindirnar sem þeir höfðu verið að kanna væru í raun Yukawa-eindir. Um svipað leyti kom áðurnefnt erindi Wheelers frá því í nóvember 1945 út á prenti, þar sem meðal annars var bent á, að kanna þyrfti hvernig líkurnar á því að atómkjarnar hremdu Yukawa-eindir væru háðar sætistölunni, Z.

Þrátt fyrir að hinu gagnstæða hafi verið haldið fram, verður það að teljast ólíklegt, að Rómarhópurinn hafi ekki haft veður af hugmyndum Wheelers tiltölulega fljótlega. Í öllu falli tóku þeir sig til á seinni hluta ársins 1946 og endurtóku tilraunina frá 1945 með nokkrum endurbótum á tækjabúnaði. Í þetta skiptið notuðu þeir einnig tvö mismunandi gleypiefni í stað eins áður, það er járn (Fe, Z = 26) og kolefni (C, Z = 6). Kolefnisgleypirinn var samsettur úr sívalningslaga grafítstöngum, þar sem þeim tókst ekki að fletja grafítið út í plötur likt og járnið. Niðurstöður mælinganna birtu þeir á ensku í febrúar 1947:

• Conversi, M., E. Pancini & O. Piccioni, 1947: On the Disintegration of Negative Mesons.

Hér er lýsing á tækjabúnaðnum sem þeir notuðu:

Lokaniðurstöður úr mælingum Ítalanna eru sýndar í töflunni hér fyrir neðan. Á sínum tíma greindu þeir óformlega frá því að niðurstöðurnar fyrir kolefnisgleypinn hefðu komið þeim gjörsamlega í opna skjöldu, svo sannfærðir voru þeir um að mesótrónan væri Yukawa-eindin. Í greininni segja þeir þó einfaldlega (bls. 209, neðarlega í aftari dálki): „The results with carbon as absorber turn out to be quite inconsistent with Tomonaga and Araki’s prediction.“

Þótt það sé ekki beinlínis nefnt í greininni, sýndu þessar niðurstöður ótvírætt, að geimgeisla-miðeindirnar (mesótrónurnar) gátu ekki verið hinar eftirsóttu Yukawa-eindir.

Grein Rómarhópsins lýkur svo á málsgreininni „Further experimerits on this subject are now in progress, in an attempt to calculate the capture cross section, and to know how it depends on Z.“  –  Ég verð að viðurkenna að ég hef ekki haft fyrir því að kynna mér, hvernig þessar framhaldsrannsóknir Rómarhópsins gengu. Hins vegar má benda á nokkrar heimildir sem til samans kafa mun dýpra en hér er gert í miðeindarannsóknir Rómarhópsins (og reyndar fleiri hópa) og mikilvægi þeirra í öreindafræði:

• Brown, L.M. & L. Hoddeson (ritstj.), 1983: The Birth of Particle Physics.  Sjá einkum greinarnar eftir Piccioni (bls. 222- 241) og Conversi (bls. 242-250).
• Monaldi, D., 2005: Mesons in 1946. Sjá einnig áðurnefnda grein hennar frá 2005, Life of μ: The Observation of the Spontaneous decay of Mesotrons and its Consequences, 1938–1947.
• Bonolis, L., 2011: Walther Bothe and Bruno Rossi: The birth and development of coincidence methods in cosmic-ray physics.
• Peruzzi, G. & S. Talas, 2018: The Italian contributions to cosmic-ray physics from Bruno Rossi to the G-Stack. A new window into the inexhaustible wealth of nature. Þessi grein mun upphaflega hafa birst árið 2007.

IV.3  Princetonhópurinn – Framlag Þorbjörns Sigurgeirssonar

Því miður virðist Þorbjörn Sigurgeirsson ekki hafa skilið eftir sig neinar dagbókarfærslur um þróun rannsóknarverkefnisins, sem hann vann að við Princetonháskóla frá því í ársbyrjun 1946 og fram í september 1947. Það sem við nú vitum um þetta tímabil í lífi hans er að mestu að þakka rannsóknum Steindórs J. Erlingssonar á bréfum, sem varðveitt eru á Niels Bohr skjalasafninu í Kaupmannahöfn. Þar vegur þyngst bréf sem Þorbjörn sendi prófessorunum C. Møller og S. Rozental í apríl 1946 og Steindór fjallar um í hinni nýju Skírnis-grein sinni á bls. 291-92.

Af bréfinu má sjá að verkefnið, sem Wheeler hafði bent Þorbirni á, snerist um að kanna muninn á sundrun jákvæðra og neikvæðra geimgeisla-miðeinda í þéttum efnum og mæla meðalævi þeirra. Þetta er sama viðfangsefnið og Rómarhópurinn var að fást við á svipuðum tíma.

Einnig er ljóst af bréfinu, að þegar í apríl 1946 var Þorbjörn farinn að huga að slíkum mælingum, og í því er að finna riss hans af tækjabúnaði, sem samanstendur af þokuhylki, gleypi og Geigerteljurum auk þykkrar blýplötu, sem átti að stöðva hægfara geimgeisla og draga úr hraða hinna hraðfleygu miðeinda áður en þær lentu í þokuhylkinu (sjá myndina á bls. 291 í grein Steindórs). Þess má geta hér, að Þorbörn hafði talsverða reynslu af notkun þokuhylkja, því á mánuðunum fyrir flóttann til Svíðjóðar í desember 1943 vann hann að rannsóknum með slíkum búnaði. Vegna stríðsins birtust niðurstöðurnar þó ekki fyrr en 1947 (sjá greinina Bøggild, J. K., O. H. Arrøe, & T. Sigurgeirsson, 1947: Cloud-Chamber Studies of Electronic and Nuclear Stopping of Fission Fragments in Different Gases).

Svo virðist sem Þorbjörn hafi fljótlega hætt við að nota þokuhylkið og í staðinn þróað og smíðað þann búnað, sem lýst er í hinni merku grein hans sem birtist í mars 1947, mánuði á eftir grein Rómarhópsins. Ekki er ljóst hvort aðstoðarmaður hans og meðhöfundur tók þátt í þeirri þróunarvinnu eða kom inn í verkefnið seinna á árinu. Sá var kornungur doktorsnemi í eðlisfræði, Kazuo Alan Yamakawa, sem lauk doktorsnámi við Princetonháskóla árið 1949 með ritgerð um kristalteljara, „Silver-Bromide Crystal Counters“ (sjá hér og hér) undir leiðsögn Bandaríska eðlisfræðingsins R. Hofstadters. Eftir doktorsprófið for Yamakawa að vinna við rannsóknarstofnum á vegum bandaríka hersins. Ég hef því miður ekki enn fundið af honum mynd.

Ekki er vitað hvenær ársins 1946 miðeindamælingarnar með hinum nýja búnaði hófust, en greinin með niðurstöðunum var send til tímarits (Physical Review) í lok janúar 1947. Hún kom svo á prenti í mars (til samanburðar má geta þess að febrúargrein Rómarhópsins var send sama tímariti skömmu fyrir jólin 1946). Grein með kennilegri umfjöllun Wheelers um niðurstöður Þorbjörns og Yamakawa var birt næst á eftir grein þeirra í marsheftinu. 

• Sigurgeirsson, T. &  A. Yamakawa, 1947: Decay of mesons stopped in light materials.
• Wheeler, J.A., 1947: Mechanism of Capture of Slower Mesons.

Teikningin af mælibúnaðnum í grein Þorbjörns og Yamakawa, bls. 320:

Gleypiefnin sem þeir félagar notuðu voru ýmist berilín (Be), kolefni (C), natríumhydróxíð (NaOH), ál (Al), kísilkarbíð (SiC) eða brennisteinn (S). Samkvæmt greininni voru hrörnunarferlar miðeindanna í gleypinum frekar ónákvæmir, en ekki í ósamræmi við að meðalævi eindanna væri 2,2 míkrósekúndur.

Aðrar niðurstöður mælinganna, og þær sem mestu máli skiptu, er að finna í tveimur eftirfarandi töflum á bls. 320 í greininni:

Meginályktunin sem þeir Þorbjörn og Yamakawa drógu af þessum mæliniðurstöðum er sett fram í upphafi greinarinnar. Hún er sú, að fyrir hverja miðeind, sem stöðvast í gleypiefni, myndast fleiri dóttur-rafeindir vegna sundrunar í efnum með lága sætistölu, en í efnum með sætistöluna 13 eða hærri.

Í lok greinarinnar segir svo í lauslegri þýðingu/endursögn minni:

Mælingar okkar staðfesta niðurstöður þeirra Conversis, Pancinis og Piccionis, að neikvæðar miðeindir, sem stöðvast í kolefni sendi frá sér dóttur-rafeindir, en stöðvist þær í járni mælast engar slíkar. Fjarveru dóttureinda frá járngleypinum má auðveldlega útskýra með því að atómkjarnarnir gleypi miðeindirnar áður en þær sundrast. Niðurstöður okkar gefa til kynna, að líkindi þess að atómkjarnarnir gleypi miðeindirnar fari smám saman vaxandi með vaxandi sætistölu, en að fjöldi gleypinga sé í algjöru ósamræmi við útreikninga byggða á Tomonaga-Araki kenningunni.

Í áðurnefndri grein Wheelers í sama hefti Physical Rewiews segir meðal annars á bls. 320-21 í lauslegri þýðingu/endursögn minni:

Rómarhópurinn komst að þeirri niðurstöðu að neikvæðar miðeindir, sem höfðu stöðvast í kolefni beta-sundruðust, en ekki þær sem stöðvuðust í járni. Mælingar Þorbjörns og  Yamakawas gefa til kynna, að hremmingarlíkur séu einnig litlar í öðrum léttum efnum í samanburði við sundrunarlíkurnar (= 1/τ₀ = 1/2,15 míkrósekundur, þar sem τ₀ er meðalævi frjálsrar miðeindar). Jafnframt að hlutfallið hremmingarlíkur/ sundrunarlíkur fari vaxandi með með vaxandi sætistölu og taki glidið 1 fyrir sætistölu Z =  Z₀ ~10. […] Áætla má, að um sundrun neikvæðra miðeinda, sem stöðvast hafa í gleypi, gildi  λ = 1/τ  = (1/ τ₀)[1+(Z/Z₀)⁴] og að hlutfall þeirra sem sundrast sé í kringum f = [1+ (Z/Z₀)⁴]^-1.

Í framhaldi af þessari tilvitnun má benda á útleiðsluna í grein Wheelers frá 1949 og ekki síst niðurstöður hennar, bls. 142-43: Samkvæmt þeim er meðalævi neikvæðrar miðeindar í efninu τ = τ₀/[1+(Z_eff/Z₀)⁴] og líkindi þess að dóttur-rafeind mælist frá neikvæðri miðeind W_eff  = 1/[1+(Z_eff/Z₀)⁴], þar sem Z_eff = Z[1+(Z/37,2)^1,54]^-1/1,54 er svokölluð virk sætistala kjarnans.

Nokkrum síðum framar, í sama hefti Physical Review og greinar þeirra Þorbjörns, Yamakawas og Wheelers birtust, er grein eftir hina frægu eðlisfræðinga E. Fermi, E. Teller og V. Weisskopf. Þar er vísað í tilraunaniðurstöður Rómarhópsins og bent á, að útreiknaður hremmingartími neikvæðrar Yukawa-eindar í kolefni sé miklu mun styttri en meðalævi mesótrónunnar, eða sem nemur allt að 12 tugaþrepum. Af því leiði óhjákvæmilega, að mesótrónan geti ekki verið Yukawa-eindin. Nokkrum mánuðum seinna fylgdu þeir Fermi og Teller þessari fullyrðingu eftir með birtingu á nákvæmum útreikningum.

• Fermi, E., E. Teller & V. Weisskopf, 1947: The Decay of Negative Mesotrons in Matter.
• Fermi, E. & E. Teller, 1947: The Capture of Negative Mesotrons in Matter.

Þegar upp var staðið fékk Rómarhópurinn allan heiðurinn af þeirri uppgötvun, að miðeindin (mesótrónan) væri ekki Yukawa-eindin heldur ný eind, sem eins og áður sagði átti síðar eftir að fá nafnið mýeind. Ítalarnir voru lengi svo sannfærðir um að þeir hefðu náð að staðfesta Tomonaka-Araki kenninguna, að þeir framkvæmdu hina frægu tilraun sína ekki fyrr en líða tók á árið 1946 (líklega eftir að hafa haft spurnir af hugmyndum Wheelers frá 1945?). Það var um svipað leyti og (eða jafnvel eftir að) Þorbjörn, að áeggjan Wheelers, hóf smíði tilraunabúnaðarins í Princeton. Ítölunum tókst að birta niðurstöður sínar mánuði á undan Princetonhópnum og samkvæmt óskráðum reglum vísindasamfélagsins er uppgötvunin því þeirra. Þeir voru og tilnefndir til Nóbelsverðlaunanna í eðlisfræði fimm sinnum, fyrst 1957 af W.K.H. Panofsky, næst 1963 af E. Amaldi og þremur öðrum, og loks þrjú ár í röð (1972, 1973 og 1974) af Amaldi einum. Þeir fengu þó aldrei verðlaunin.

Þótt talsvert hafi verið vitnað í mæliniðurstöður Princetonhópsins á árunum í kringum 1950, ber nafn Þorbjörns sjaldan sem aldrei á góma í þessu sambandi í alþjóðlegum vísindasagnfræðiritum seinni tíma. Einstaka sinnum er þess þó getið, að Princetonhópurinn hafi staðfest niðurstöður Rómarhópsins. Ítalirnir voru hins vegar duglegir að halda nöfnum sínum á lofti, jafnt í ræðu sem riti. Eina greinin sem ég  hef rekist á, þar sem einhver þeirra ræðir óformlega um niðurstöður Þorbjörns, er eftir Piccioni, „The Observation of the leptonic nature of the „mesotron“ by Conversi, Pancini, and Piccioni“, sem birtist í ritinu The Birth of Particle Physics árið 1983 (ritstj. L.M. Brown & L. Hoddeson), bls. 222-241. Þar segir hann á bls. 233:

I want to emphasize, however, that the evidence for the noncapture of negative muons could also have been reached [by the Rome group], although with less aesthetic attraction, if we had proceeded [by] measuring the decay rates with various thicknesses of carbon and above all comparing with aluminum once we had become aware of the large yield from carbon. The Z⁴ dependence is, in fact, such a powerful tool that T. Sigurgeirsson and A. Yamakawa at Princeton, with a very simple setup that gave a modest counting rate, confirmed our result in only eight days, comparing beryllium with sulfur.

Þorbjörn var hógvær maður og ég veit ekki til þess, að hann nokkurn tímann tjáð sig um persónulega sýn sína á atburðarásina. Það virðist þó nokkuð ljóst, að meginviðfangsefni hans í Princeton var að kanna hvernig líkurnar á hremmingu miðeinda væru háðar sætistölu gleypiefna. Þótt það sé tekið fram í grein hans og Yamakawa, að þeir hafi staðfest niðurstöður Rómarhópsins, er það í mínum huga allsendis óvíst, hvor hópurinn var í raun fyrstur til að átta sig á því að geimgeisla-miðeindin væri ekki Yukawa-eindin.

Hvernig svo sem það nú var, er mikilvægt að því sé haldið til haga, að eftir stutta dvöl við Princetonháskóla var Þorbjörn kominn í fremstu röð þeirra tilraunaeðlisfræðinga, sem lögðu stund á í geimgeislarannsóknir. Slíkum árangri nær enginn eingöngu vegna heppni eða örvandi umhverfis. Til þess þarf bæði mikla hæfileika og djúpa þekkingu á eðlisfræði.

Á sínum tíma vöktu mælingar Þorbjörns og félaga töluverða athygli við Princetonháskóla og reyndar víðar um Bandaríkin. Sem dæmi má nefna, að 30. maí 1947 birtist í dagblaði skólans stutt yfirlit um geimgeislarannsóknir eðlisfræðideildarinnar eftir forseta hennar, áðurnefndan H.D. Smyth. Þótt Þorbjörn sé ekki nefndur þar með nafni er í lok pistilsins (á bls. 2) getið um framlag hans með orðunum, „Study of the third problem, the mechanism of absorption of slow mesons, has already produced striking results.“

Á aðventunni 1947 birtist svo eftirfarandi frétt í dagblaði, sem gefið var út í smábænum Woodstock í Illinois:

Eftir samningu hinnar merku greinar í ársbyrjun 1947, héldu þeir Þorbjörn og Yamakawa áfram mælingum á miðeindum, nú með endurbættum búnaði, meiri nákvæmni og fleiri gleypiefnum. Rannsónirnar fóru fram í Princeton, allt þar til Þorbjörn fór til Íslands haustið 1947. Hvort Yamakawa hélt mælingunum eitthvað áfram, veit ég ekki, en árið 1948 sendu þeir félagar frá sér ítarlegt yfirlit um rannsóknir sínar, sem birt var í Reviews of Modern Physics í ársbyrjun 1949:

• Sigurgeirsson, T. & K. Yamakawa, 1949: Electron emitting power of stopped mesons.

Í sama hefti var fjöldi annarra greina um rannsóknir á geimgeislum, ekki síst miðeindum og nokkrar þeirra voru frá rannsóknarhópi Wheelers í Princeton:

• Wheeler, J.A., 1949: Some Consequences of the Electromagnetic Interaction between 𝜇− -Mesons and Nuclei. Hér má finna útleiðslu á hinu svokallaða (Z_eff)⁴ lögmáli.
• Tiomno, J. & J.A.Wheeler, 1949a: Energy Spectrum of Electrons from Meson Decay.
• Tiomno, J. & J.A.Wheeler, 1949b: Charge-Exchange Reaction of the μ-Meson with the Nucleus.
• Chang, W.Y., 1949: A Cloud-Chamber Study of Meson Absorption by Thin Pb, Fe, and Al Foils.

Jafnframt er rétt að benda sérstaklega á hina stórfróðlegu yfirlitsgrein Þorbjörns um geimgeislarannsóknir í Tímariti Verkfræðingafélags Íslands í árslok 1949:

• Þorbjörn Sigurgeirsson, 1949: Geimgeislar. Sjá m.a. kaflann „Mesónan og kjarnakraftarnir“, bls. 82-83.

Á þeim tíma sem liðinn var frá birtingu hinna spennandi niðurstaða Ítalanna og Princetonhópsins árið 1947, höfðu fleiri rannsóknarhópar fengið áhuga á viðfangsefninu og tóku fljótlega að birta niðurstöður eigin mælinga og kenninga. Þorbjörn og Yamakawa gátu því borið slík verk saman við sín eigin, sem og þeir og gerðu í 1949-greininni.

Ekki er ástæða til að rekja hér efni hinnar nýju greinar þeirra félaga í neinum smáatriðum, enda er meginniðurstaða hennar staðfesting á fyrri niðurstöðum hópanna í Princeton og Róm. Henni er lýst svona í upphafi greinarinnar, bls. 124:

A year ago we presented preliminary measurements which suggested a systematic trend with atomic number in the number of decay electrons emitted when sea level mesons of assorted electric polarities are stopped in various materials. We have since considerably extended the measurements (Fig. 1.) We conclude that the division between elements of high and low electron emission comes in the neighborhood of atomic number Z₀ ~  10. We have also found that the decay curves for mixed sea level mesons, 0.75 microsec after the arrival of the meson, show a relatively small difference from element to element, as expected from simple theoretical arguments.

Our experiment was designed primarily to make a quick survey of the behavior of negative mesons as affected by the atomic number of the moderator [= absorber]. We therefore made no magnetic separation between mesons of the two polarities. We were able to assume that the unwanted positive mesons undergo decay in all substances because (a) the electrical repulsion of the nucleus prevents capture and because (b) the remarkable observation of Conversi, Pancini, and Piccioni confirmed this conclusion about positive mesons in the case of iron and carbon, and showed that the unexpected difference between the behavior of mesons in the two materials was confined entirely to the negative mesons. In our experiment the decay electrons from the positives, of course, slightly complicate the interpretation of the results and decrease the attainable statistical accuracy of conclusions about negative meson decay. However, the counting rate is many times higher than that obtained in an arrangement employing magnetic separation. In the time which has elapsed since our first report, there has of course been opportunity for other investigators to use the technique of magnetic separation to obtain in the case of certain elements results on the decay of negative mesons by themselves. Such results, where available, are plotted along with our own data in Fig. 2, where there are shown for comparison theoretical curves expected from the Z⁴_eff, power law of meson reaction probability.

The results of our own measurements and those of others are seen to be consistent with a value of close to 10 for the atomic number, Z₀ of that idealized nucleus for which meson decay and the specifically nuclear meson disappearance reaction have equal probabilities. This constant provides a means to determine the strength of coupling of the meson field to the nucleus, as shown in detail in a following paper by Tiomno and Wheeler.

Á síðu 127 er svo teikning af hinum nýja og fullkomnari tækjabúnaði þeirra félaga:

IV.4  Stutt innskot: Tækjasmíði Þorbjörns í Kaupmannahöfn

Efir að að Þorbjörn hóf seinnihlutanám í kjarneðlisfræði við Eðlisfræðistofnun Kaupmannahafnarháskóla árið 1940, komst hann í kynni við marga af helstu eðlisfræðingum Dana á þeim tíma, bæði sérfræðinga í kennilegri eðlisfræði og tilraunum. Af síðarnefnda hópnum lærði hann ekki aðeins hefðbundnar vinnuaðferðir við uppsetningu tilrauna, heldur einnig nýjustu rafeindatækni og smíði nauðsynlegusu mælitækja í kjarneðlisfræði, svo sem Geiger-teljara. Sú mikilvæga þekking kom honum sannarlega í góðar þarfir eftir að hann hóf sjálfur grunnrannsóknir í eðlisfræði, ekki síst í Princeton.

Á síðustu námsárunum vann Þorbjörn talsvert með aðalkennara sínum í tilraunaeðlisfræði, J.C. Jacobsen, meðal annars að viðhaldi hringhraðals eðlisfræðistofnunarinnar, sem Jakobsen hafði yfirumsjón með. Prófessorinn hafði jafnframt séð um uppsetningu hraðalsins og að koma honum í gagnið árið 1938.

Þekktasta rannsóknarverkefnið, sem Þorbjörn vann með Jacobsen, var ákvörðun á helmingunartíma RaC´, efnis sem við nú vitum að er geislavirka samsætan pólon 214. Hún er hluti af úran-238 geislaættinni og lifir í mjög skamman tíma áður en hún hrörnar í blý-210 með því að senda frá sér  α-ögn.

Jacobsen hafði lengi reynt að mæla meðalævi RaC´ en án árangurs. Það var ekki fyrr en Þorbjörn kom honum til aðstoðar, sem þeim tókst í sameiningu að mæla helmingunartímann, með því að nota svokallaðar (og áðurnefndar) stillanlegar seinkunarmælingar (delay coincidence method) með eigin endurbótum. Um þetta skrifuðu þeir grein, sem birtist stuttu eftir að Þorbjörn útskrifaðist sem magister:

• Jacobsen, J.C. & Th. Sigurgeirsson, 1943: The decay constant of RaC´

Það er fyrst í lokaorðum greinarinnar (bls. 12) sem höfundarnir greina frá því að mældur helmingunartími RaC´ sé τ = 155 +/- 5 míkrósekúndur (viðurkennt gildi í dag mun vera 163,5 míkrósek, svo munurinn er í kringum 5%). Þetta þótti umtalsvert afrek í Kaupmannahöfn á sínum tíma og jók enn hróður Þorbjörns við Eðlisfræðistofnunina. Fréttin virðist þó ekki hafa borist víða, enda var seinni heimsstyrjöldin þá í algleymingi.

Til að gefa einhverja hugmynd um tækjabúnaðinn, sem þeir Þorbjörn og Jacobsen hönnuðu og notuðu við mælingarnar, birti ég hér tvær teikningar úr grein þeirra, ásamt frekar stuttum skýringum mínum. Nánari upplýsingar er að finna í greininni sjálfri.

Í lok greinarinnar (bls. 16) gefa höfundarnir svo stutt yfirlit yfir meginþætti mælinganna og niðurstöður þeirra:

The decay constant of RaC´ has been determined by a coincidence method. Active deposit from Radium emanation is placed between two counters which are screened in such a way that one counter counts ß-particles, only, the other counts both α- and ß-particles. By means of a multivibrator, the impulses from the ß-counter are delayed relative to the impulses from the α-counter by an amount which is of the same order of magnitude as the mean lifetime of RaC´. Under these circumstances the emission of a ß-particle from RaC and the subsequent emission of an α-particle from RaC´ are observed as a coincidence. The number of coincidences as a function of the delay of the impulses from the ß-counter shows an exponential decay over a time interval of about 4 half periods; for the half period is found (1.55 ± 0 .05) • 10^-4 sec, in satisfactory agreement with the value obtained previously by Rotblat.¹   –   [¹ Rotblat, J., 1941: Application of the coincidence method for measurements of short life periods. Í grein Þorbjörns og Jacobsens segir að þeir hafi ekki séð þessa grein Rotblats fyrr en að lokinni sinni tilraun, sumarið 1942. Í því sambandi er rétt að minna á, að Þjóðverjar hernámu Danmörku í apríl 1940, og er það eflaust ástæðan fyrir töfinni.]

Að lokum má geta þess, að þekking Þorbjörns á mælingum með Geiger-teljurum kom sér vel í rannsóknum hans við Nóbelsstofnunina í Svíþjóð árið 1944 (sjá greinina Atterling, H., E. Bohr & T. Sigurgeirsson, 1946: Neutron-Induced Radioactivity in Lutecium and Ytterbium. Næst fyrsta greinin í ritinu.) og svo að sjálfsögðu við geimgeislarannsóknirnar í Princeton.

IV.5  MIT hópurinn

Eftir að hafa tekið þátt í rannsóknarátakinu mikla í Los Alamos á stríðsárunum, hóf einn fremsti geimgeislafræðingur heims, ítalsk-bandaríski eðlisfræðingurin  B. Rossi, störf við Tækniháskólann í Massachusetts (MIT) haustið 1946. Þar setti hann strax á fót sérstakan hóp innan kjarnvísindadeildar skólans til rannsókna á geimgeislum (the Cosmic Ray Group).

Eins og þegar hefur komið fram, voru geimgeisla-miðeindir eitt heitasta viðfangsefni öreindafræðinga á þessum tíma og Rossi fékk því einn af samstarfsmönnum sínum við MIT, G.E. Valley, til að hefja mælingar á massa eindanna og ákvarða hremmingar- og sundrunarlíkur þeirra í þéttum efnum. Þetta var í öllum meginatriðum sama viðfangsefnið og Rómarhópurinn og Princetonhópurinn voru að glíma við á sama tíma. Engar fréttir báust þó af því til Boston, fyrr en verkefnið við MIT var hafið og vel á veg komið. Af ástæðum sem mér eru ekki kunnar, birtustu niðurstöður MIT-hópsins þó ekki fyrr en átta til níu mánuðum eftir að greinar hinna hópanna tveggja komu á prenti.

Við rannsóknirnar skiptu þeir félagarnir með sér verkum. Rossi skipulagði verkefnið og hafði yfirumsjón með því, kom með hugmyndir og gaf góð ráð. Valley framkvæmdi hins vegar allar mælingarnar, vann úr þeim og skrifaði grein sem birtist í nóvember 1947. Nokkrum mánuðum síðar sendu þeir svo inn aðra grein um niðurstöður frekari mælinga á meðalævi neikvæðra miðeinda í þéttum efnum, sem þeir höfðu báðir komið að. Hún birtist í ársbyrjun 1948.

• Valley, G.E., 1947: The Radioactive Decay of Slow Positive and Negative Mesons.
• Valley, G.E. & B. Rossi, 1948: On the Mean Life of Negative Mesons.

Fyrir neðan er teikning af tækjabúnaðnum sem notaður var við þessar rannsóknir MIT-hópsins (bls. 773 í 1947-greininni). Hér má svo sjá ljósmynd af Valley við mælingar. Ólíkt hópunum í Róm og Princeton notuðu MIT-mennirnir þokuhylki í segulsviði (H). Geim-miðeindirnar koma aðallega að ofan og fara í gegnum blýplötuna (L₁) og teljarabúnað (1 og 2) áður en þær lenda í þokuhylkinu (c.c.). Gleypirinn (S = specimen) er umkingdur Geiger-teljurum (D) sem nema dóttur-eindir frá sundrun miðeindanna. Eins og hinir hóparnir tveir, beitti MIT-hópurinn bæði stillanlegum seinkunarmælingum og samtímamælingum. Mynd af raftæknibúnaði þeirra er að finna á bls. 774 í 1947-greininni. Í þessu sambandi má einnig benda lesendum á lýsingu Þorbjörns Sigurgeirssonar á þokuhylki í kafla III.1 hér að framan.

Niðurstöðum fyrri mælinganna lýsir Valley svo á bls.772 í fyrri greininni:

Cosmic ray mesons, after passage through a cloud chamber situated in a magnetic held, were slowed down and allowed to decay in specimens of carbon, stainless steel, brass, water and beryllium. By means of delayed coincidence circuits the cloud chamber was actuate only when a meson decayed in the specimen. In stainless steel and in brass, only positive mesons decay; in carbon, water, and beryllium both positive and negative mesons decay in such numbers as to indicate that few, if any, of the negative mesons undergo nuclear capture in these substances. It is shown that the masses of the decaying mesons are approximately two hundred times the mass of an electron.

Hann tekur einnig sérstaklega fram að mælingarnar staðfesti bæði niðurstöður Rómarhópsins og Princetonhópsins. Greininni lýkur svo á þessum orðunum, bls. 783:

The results for carbon, steel, brass and water tend to validate the method used by Sigurgiersson and Yamakawa, especially in view of the great difference in electron absorption to be expected for the steel and for the brass specimens, due to their different geometries.

Frekari frásagnir af geimgeislarannsóknum við MIT má finna í eftirfarandi heimildum:

• Bonolis, L., 2011: Bruno Rossi and Cosmic Rays: From Earth laboratories to Physics in Space.
• George W. Clark, 1992: The Bruno Rossi Era – Erindi á myndbandi.

.

IV.6  Annað stutt innskot: Ráðstefnan á Sheltereyju í júni 1947

Í byrjun júní 1947 var haldin mikilvæg ráðstefna á Sheltereyju í New York. Þar komu saman margir af fremstu eðlisfræðingum Bandaríkjanna til þess að ræða grundvöll skammtafræðinnar í ljósi nýjustu tilrauna og hugmynda.

Á þessari samkomu, sem átti eftir að verða ein þekktasta eðlisfræðiráðstefna eftirstríðsáranna, kynnti W.E. Lamb niðurstöður mælinga á hliðruninni sem við hann er kennd. Að því loknu hófust miklar umræður um skammtarafsegulfræði, sem þá var enn í mótun. Það leiddi svo í kjölfarið til þeirra skammtasviðskenninga, sem við þekkjumm í dag, meðal annars með nýjum reikniaðferðum eins og Feynman-myndum og einnig til endurstöðlunartækninnar.

Færri vita kannski, að annað af aðlumræðuefnum ráðstefnunnar voru eiginleikar geimgeisla-miðeindarinar. B. Rossi skýrði frá mæliniðurstöðum Rómarhópsins, og þótt þess sé hvergi getið i þeim heimildum sem ég hef skoðað, hefur hann án efa minnst á mælingar Princetonhópsins og MIT-hópsins.  Eftir erindi hans urðu talsverðar umræður um það hvernig túlka ætti niðurstöðurnar og hvort þarna væri Yukawa-eindin á ferðinni eða ekki. Þar munu þeir Oppenheimer og Weisskopf hafa verið einna háværastir, þótt bæði Wheeler og Teller hljóti að hafa látið í sér heyra.

Umræðurnar enduðu með með því að R.E. Marshak hjó á hnútinn með uppástungu, sem flestir ráðstefnugesta virðast hafa getað sætt sig við, nefnilega að í raun væri um tvær mismunandi agnir að ræða, annars vegar mesótrónuna og hins vegar Yukawa-eindina, sem ekki hefði enn fundist. Yukawa-eindin myndaðist hátt í gufuhvolfinu við áresktur frumgeimgeisla við loftsameind og sundraðist þar tiltölulega fljótlega. Mesótrónan væri dóttureind hennar sem kæmist alla leið niður að yfirborði jarðar.

Marsahak fékk fyrrum leiðbeinanda sinn í doktorsnámi, H. Bethe, til að vinna með sér að frekri útfærslu hugmyndarinnar og um haustið birtist eftir þá grein um efnið:

• Marshak, R.E. & H.A. Bethe, 1947: On the Two-Meson Hypothesis.

Það merkilega er, að enginn af þátttakendunum á Shelterráðstefnunni höfðu haft spurnir af því, að rúmlega viku fyrir ráðstefnuna höfðu C.F. Powell og samstarfsmenn hans við Bristolháskóla birt tímamótagrein í Nature. Þar skýrðu þeir frá því, að þeir hefðu fyrir nokkru fundið Yukava-eindina í geimgeislamælingum og séð hana sundrast í mesótrónu (sjá nánar í V. kafla). Einnig má geta þess að vegna styrjaldarinnar fengu vestrænir eðlisfræðingar ekki fréttir af því fyrr en í árslok 1947, að japanskir öreindafræðingar hefðu sett fram svipaðar hugmyndir og Marshak á árunum 1942-43, annars vegar S. Sakata and T. Inoue og hins vegar Y. Tanikawa.

Hér eru í lokin tvær yfirlitsgreinar um fyrstu Sheltereyju-ráðstefnuna og þróun öreindafræðinnar í kjölfarið:

• Schweber, S.S., 1986: Shelter Island, Pocono, and Oldstone: The Emergence of American Quantum Electrodynamics after World War II. Sjá bls. 284-288.
• Marshak, R.E., 1983: „Particle Physics in Rapid Transition 1947-1952.“ Í ritinu The Birth of Particle Physics (ritstj. L.M. Brown & L. Hoddeson), bls. 376-401.

.

V.  Yukawa-eindin finnst í geimgeislaskúrum

Við uppgötvun Yukawa-eindarinnar (píeindarinnar) vorið 1947 notaði geimgeislahópurinn í Bristol, sem auk C.F. Powells samanstóð af C. Lattes, G. Occhialini og H. Muirhead, edurbætta útgáfu af tækni, sem austurrísku eðlisfræðingarnir M. Bau og H. Wambacher höfðu upphaflega þróað og notað við merkar geimgeislamælingar fyrir stríð. Þetta var hin svokallaða geislanæmistækni sem lýst er á teikningunum hér fyrir neðan.

Fyrstu geislanæmnismælingar Bristolhópsins, sem sýndu fram á tilvist píeindarinnar í geimgeislaskúrum, voru gerðar í 2,9 km hæð á fjallinu Pic du Midi í frönsku Ölpunum árið 1947. Seinna sama ár stóðu þeir að frekari mælingum í 5,5 km hæð á fjallinu Chacaltaya í bólivísku Andesfjöllunum. Eftir að hafa legið yfir gögnunum tókst þeim að sýna fram á, að píeindin (Yukawaeindin) sundraðist flótlega í mýeind (mesótrónu) og eina (ósýnilega) fiseind.

• Lattes, C.M.G., H. Muirhead , G.P.S. Occhialini & C.F. Powell, 1947a: Processes Involving Charged Mesons.
• Lattes, C.M.G., G.P.S. Occhialini & C.F. Powell, 1947b: Observations on the Tracks of Slow Mesons in Photographic Emulsions I & II.

Hér eru fyrstu myndirnar sem Bristolhópurinn birti af sundrun píeinda í mýeindir:

• Lock, O., 1987: The Pion´s Pioners.
• Lock, O., 1997: Half a century ago – the pion pioneers.
• Sime, R.L., 2013: Marietta Blau: Pioneer of Photographic Nuclear Emulsions and Particle Physics.

.

VI.  Fleiri nýjar eindir – Hraðlar taka völdin – Þorbjörn enn

Segja má að þeir kjarneðlisfræðingar sem lögðu fyrir sig rannsóknir á geimgeislum á fjórða og fimmta áratugi tuttugustu aldar hafi með því komist í fremstu röð í tilraunaöreindafræði. Þorbjörn Sigurgeirsson var einn þeirra.

Nokkrir einstaklingar í hópi þessara vísindamanna uppgötvuðu nýjar eindir í geimgeislaskúrum, þar á meðal jáeindina (e⁺) í þokuhylki 1932 (Anderson), mýeindirnar (μ^– og μ⁺)  í (sama) þokuhylki 1936 (Anderson og Neddermeyer) og píeindirnar (π^– og π⁺) með geislanæmistækni 1947 (Bristolhópurinn). Þótt vísbendingar um tilvist π⁰ hefðu áður fundist í geimgeislaskúrum, sást eindin fyrst með vissu í sérstakri gerð hringhraðals í Berkeley árið 1950. Aðrir geimgeislafræðingar gerðu grundvallaruppgötvanir um eðli þessara nýju einda með ýmsum hætti, þar á meðal Rómarhópurinn og Princetonhópurinn með Geigertalningum á mýeindum og dóttureindum þeirra 1947.

Um það leyti sem Þorbjörn yfirgaf Bandaríkin og settist að á Íslandi, haustið 1947, voru verulegar breytingar í uppsiglingu í heimi öreindafræðinnar. Mælingar lítilla rannsóknarhópa á tilfallandi geimgeislaskúrum tóku hægt og sígandi að víkja fyrir hnitmiðuðum tilraunum með sífellt stærri og öflugri hröðlum með æ fyrirferðameiri og flóknari tækjabúnaði. Þessi þróun, sem oft er kennd við Big Science, krafðist mikils fjölda vísinda- og tæknimanna auk umtalsverðra innviða og aukinna fjárveitinga. 

Flestir mikilvægustu hraðlarnir á sjötta og sjöunda áratugnum voru bandarískir samhraðlar fyrir róteindir. Þeirra þekktastir í byrjun voru svokallaður Kosmótrón í Brookhaven (vígður  1953) og Bevatróninn í Berkeley (vígður 1954). Á svipuðum tíma (1952) fann Bandaríkjamaðurinn D. Glasser upp bóluhylkið, sem átti eftir að valda byltingu í öreindatilraunum. Árið 1960 hlaut Glasser Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði fyrir uppgötvun sína og einn af þeim sem tilnefndu hann til verðlaunanna var Þorbjörn Sigurgeirsson.

Áður en hraðlar urðu allsráðandi í öreindafræði uppgötvuðu geimgeislafræðingar hinar undarlegu V-eindir, sem áttu eftir að hafa mikil áhrif á hugmyndir manna um eiginleika öreinda. Fyrstar voru káeindirnar svokölluðu (K⁰, K⁺, K^–) sem fundust í desember 1947. Þær sáust í þokuhylki, og hið sama á við um lambdaeindina (Λ⁰) árið 1950 og xíeindirnar (Ξ^–  og Ξ⁺) 1952. Fyrsta sigmaeindin (Σ⁺) uppgötvaðist hins vegar með geislanæmistækni árið 1953.

Agnirnar K⁰, K⁺, K^–, Λ⁰, Ξ ^–, Ξ ⁺ og Σ⁺ munu vera síðustu öreindirnar sem fundust í geimgeislarannsóknum. Eftir það tóku hraðlarnir við keflinu. Með þeirra aðstoð áttu eftir að finnast margar nýjar eindir (þar á meðal nýjar andeindir) sem og sívaxandi fjöldi svokallaðra hermueinda (frá og með 1952), sem ollu mönnum miklum heilabrotum í fyrstu.

Þessar uppgötvanir á nýjum og áður óþekktum eindum, fyrst í geimgeislaskúrum og síðan hröðlum, komu af stað örri þróun í kennilegri öreindafræði. Sú mikla og flókna saga verður ekki rakin hér. Ég vil þó leyfa mér að nefna nokkra hápunkta sem mér þykja mikilvægir í tengslum við efni þessarar færslu.

Undarlegir eiginleikar V-eindanna urðu til þess að innleidd var ný skammtatala, sérstöðutalan, á árunum1952-53. Hinn þekkta eindaflokkun, sem kennd er við áttfaldan veg kom til sögunnar 1961 og þremur árum seinna sá kvarkakenningin dagsins ljós. Í kringum 1970 var raf-veika kenningin fullmótuð, en hún sameinaði rafsegulvíxlverkunina og veiku víxlverkunina undir einn hatt. Haldbær kenning um sterku víxverkunina, skammtalitfræðin, kom til sögunnar 1973 og skömmu síðar var svokallað staðallíkans öreindafræðinnar orðið að veruleika. Í dag, hálfri öld síðar, er það enn eina nothæfa allsherjarkenningin sem til er um hinn smáa heim öreindanna.

• Wikipedia: Timeline of Particle Discovery.
• Wikipedia: List of accelerators in particle physics.
• Wikipedia: Skammtasviðsfræði.
• Þorbjörn Sigurgeirsson, 1945: Gullgerðarlist nútímans.
• Sveinn Þórðarson, 1946: Atóman og orka hennar I & II.
• Steingrímur Baldursson, 1961: Efni og andefni.
• Þórður Jónsson, 1981: Hvað er skammtasviðsfræði?
• Þórður Jónsson, 1985: Hvað er öreind?
• Pais, A., 1986: Inward Bound: Of Matter and Forces in the Physical World.
• Guðni G. Sigurðsson, 1987: „Tilraunir í öreindafræði.“ Í bókinni Í hlutarins eðli: Afmælisrit til heiðurs Þorbirni Sigurgeirssyni prófessor, bls. 381-399.
• Close, F., M. Marten & C. Sutton, 1987: The Particle Explosion.
• Brown, L.M., M. Dresden & L. Hoddeson, 1988: Pions to Quarks: Particle Physics in the 1950s.
• Brown, L.M., M. Dresden & L. Hoddeson (ritstj.), 1989: Pions to Quarks: Particle Physics in the 1950s.
• Bryant, P.J., 1994: A Brief History and Review of Accelerators.
• Crease, R.P. & C.C. Mann, 1996: The Second Creation: Makers of the Revolution in Twentieth-Century Physics.
• Brown, L., M. Riordan, M. Dresden & L. Hoddeson (ritstj.), 1997: The Rise of the Standard Model: A History of Particle Physics from 1964 to 1979.
• Weinberg, S., 1998: Ár var alda. Þýðandi Guðmundur Arnlaugsson. Inngangur eftir Einar H. Guðmundsson. Eitt fyrsta alþýðuritið sem fjallaði um heims- og stjarnöreindafræði.
• Feynman, R.P., 2000: Ljósið. Þýðandi Hjörtur Jónsson. Inngangur eftir Þórð Jónsson.

Undir lokinn er við hæfi að minna á, að Þorbjörn Sigurgeirsson var einn þeirra sem tók þátt í hraðlabyltingunni miklu á sjötta áratugnum. Að frumkvæði Níelsar Bohr dvaldi hann í tæpt ár, 1952-53, við kennilegu deildina í CERN, sem þá var til húsa við Eðlisfræðistofnun Kaupmannahafnarháskóla. Þar vann Þorbjörn að verkefnum með ýmsum öðrum, aðallega þó Þjóðverjanum G. Lüders og Ítalanum E.R. Caianiello. Þetta var hluti af undirbúningsvinnu fyrir smíði róteindasamhraðalsins PS, sem Niels Bohr vígði árið 1960 og gegnir enn mikilvægu hlutverki hjá CERN í Sviss. Meginviðfangsefnið, sem hópurinn glímdi við, var fræðileg könnun á því hvernig best væri að halda orkumiklum róteindum (eða öðrum rafhlöðnum eindum) á réttri braut í stórum samhröðlum.

Eftir tiltölulega stuttan tíma í Kaupmannahöfn lagði Þorbjörn fram tillögu um nýja lögun á skautum seglanna sem ætlað var að beina villuráfandi róteindum aftur inn í megin róteindabununa sem verið var að hraða í átt að skotmarkinu. Tillagan vakti strax verulega athygli og ég veit ekki betur en að hún hafi verið notuð, alla vega að hluta, við smíði PS-hraðalsins. Þótt tillaga Þorbjörns og tilheyrandi  útreikningar hafi aðeins verið gefnir út á skýrsluformi, má enn þann dag í dag sjá vitnað í þessar hugmyndir hans á alþjóðavettvangi.

• Þorbjörn Sigurgeirsson: A perturbation treatment of the betatron oscillations in a synchrotron with periodic magnetic field. Skýrsla: CERN T/TS1, Khöfn 1952.
• Þorbjörn Sigurgeirsson: Betatron oscillations in the strong focusing synchrotron. Skýrsla: CERN T/TS2, Khöfn 1952.
• Þorbjörn Sigurgeirsson: Focusing in a synchrotron with periodic field. Perturbation treatment. Skýrsla: CERN T/TS3, Khöfn 1953. Síðar prentuð sérstaklega og gefin út: CERN 55-14, Khöfn 1955.

Nánari umfjöllun um CERN og aðkomu Þorbjörns að hönnun PS-hraðalsins má finna í færslunni

• Einar H. Guðmundsson, 2023: Alþjóðlegt samstarf á eftirstríðsárunum. Kafli IV (b) í greinasafninu Niels Bohr og Íslendingar.

.

VII.  Geimgeislamælingar í V-2 flugskeytum

Sem kunnugt er kepptust Bandamenn við, bæði fyrir og eftir stríðslok, að ná til raunvísinda- og tæknimanna Þriðja ríkisins og flytja þá og fjölskyldur þeirra með sér heim. Afkastamestir voru Bandaríkjamenn og Sovétmenn, enda var markmið þeirra með aðgerðunum fyrst og fremst það að ná forskoti í kalda stríðinu með því að nýta þekkingu og starfskrafta þýsku sérfræðinganna við uppbyggingu raunvísinda og tækni heima fyrir, ekki síst vegna yfirvofandi vígbúnaðarkapphlaups.

Enn hvílir leynd yfir hluta þessara „herleiðinga“ en einna mest er vitað um hina svokölluðu Bréfaklemmuaðgerð Bandaríkjamanna og þá ekki síst flutninginn á þýskum eldflaugasérfræðingum frá Peenemünde, þar sem V-2 flugskeytin voru þróuð og framleidd, til bandarískra herstöðva í Texas og Nýju Mexíkó (Fort Bliss og White Sands Proving Ground).

Þar sem aðalpersónan í þessari frásögn er Þorbjörn Sigurgeirsson, verður ekki kafað dýpra í þessa margbrotnu og umfangsmiklu sögu hér (sjá þó eftirfarandi heimildaskrá), heldur mun athyglinni fyrst og fremst beint að rannsóknartengdum V-2 geimskotunum frá Hvítusöndum og þá einkum geimgeislarannsóknum á árinu 1946.

• DeVorkin, D.H., 1993: Science With A Vengeance: How the Military Created the US Space Sciences After World War II.
• McFadden, C., 2025: Operation Paperclip: The Secret US Operation to Use Nazi Scientist And Engineers to Win Cold War.
• O’Reagan, D., 2019: Taking Nazi Technology: Allied Exploitation of German Science After the Second World War.
• Hunt, L., 1985: U.S. coverup of Nazi scientists.

• White Sands Missile Range Museum: A Brief History of White Sands Proving Ground, 1941-1965. Sjá einkum Part 4.

Við undirbúning og skipulag háloftarannsókna með V-2 flugskeytum fékk Bandaríkjaher til liðs við sig fulltrúa frá ýmsum innlendum stofnunum og háskólum, svo sem Princetonháskóla, Johns Hopkins háskóla, Harvardháskóla og Michiganháskóla. Rannsóknirnar féllu undir svokallað Hermesarverkefni og stóðu yfir frá 1946 til 1952.

• Myndband, 1947: German V-2 Rocket Tests  at White Sands New Mexico (19,35 mín).
• White, L.D., 1952): Final Report, Project Hermes V-2 Missile Program.
• Krause, Ernst H.1947. High Altitude Research with V-2 Rockets.
• Fraser, L.W., 1966: High Altitude Research at the Applied Physics Laboratory in the 1940s.

VII.1  Þorbjörn og geimskotið 7. nóvember 1946

Eftir því sem ég best veit gerðu geimgeislafræðingarnir í Princeton aðeins tvær tilraunir til rannsókna með V-2 flaugunum. Sú fyrri fór fram 15. ágúst 1946 og hin seinni 7. nóvember sama ár. Báðar misheppnuðust vegna bilana í stjórnkerfum flauganna.

Eina heimildin sem ég hef fundið um fyrra skotið má sjá á næstu mynd:

Ég hef ekki hugmynd um hvort Þorbjörn kom með einhverjum hætti að ágúst-tilrauninni, en hann tók hins vegar fullan þátt í undirbúningi og uppsetningu hinnar seinni í nóvember. Það má til dæmis sjá í eftirfarandi frétt frá því í lok október 1946:

Í fréttinni kemur meðal annars fram, að vonast var til að flaugin kæmist í að minnsta kosti 100 km hæð svo að hægt yrði að fá einhverjar upplýsingar um frumgeislunina og upphaf geimgeislaskúra. Niðurstöður fjarmælingabúnaðarins yrðu síðan sendar til jarðar þar sem sérhönnuð móttökutæki sæu um að skrá þær.

Eins og áður sagði var heppnin var ekki heldur með með Princetonhópnum í þessari seinni tilraun. Skömmu eftir flugtak varð flaugin óstöðug og breytti um stefnu þannig að stjórnendur slökktu fljótlega á knýnum. Flaugin féll svo til jarðar innan skotsvæðisins án þess að nokkrar nothæfar geimgeislamælingar ættu sér stað.

• The Daily Princetonian, 13. nóv 1946: German Rocket Fizzles on New Mexico Flight.
• Princeton Alumini Weekly, 22. nóv 1946: Steering Control Failure Nullifies V-2 Rocket Test.

Eftir þessar tvær misheppnuðu tilraunir virðast eðlisfræðingar í Princeton hafa hætt við frekari geimgeislarannsóknir með V-2 flugskeytunum og ýmist snúið sér að öreindatilraunum með hröðlum, geimgeislamælingum á jörðu niðri (Þorbjörn og félagar) eða háloftamælingum úr loftbelgjum (sjá t.d. hér og hér). Ég veit lítið sem ekkert um það hvað kom út úr belgjarannsóknunum á þessum tíma, en þær munu hafa staðið yfir í nokkur ár (sjá t.d. hér).

Hvað Þorbjörn varðar, kom hann alkominn heim til Íslands frá Bandaríkjunum í september 1947 og hóf smám saman sitt merka uppbyggingarstarf hér á landi, einkum þó eftir að hann tók þátt í hinni afdrifamiklu Genfarráðstefnu í ágúst 1955.

• Þjóðviljinn, 24. sept 1947: Íslenzkur kjarnorkufræðingur kominn til landsins.
• Þjóðviljinn, 1. okt 1947: Vírusar, kjarnorka og dauðageislar I & II.
• Þorbjörn Sigurgeirsson, des 1949: Geimgeislar. Tímarit Verkfræðingafélags Íslands (sjá einkum kaflann „Mesónan og kjarnakraftarnir“, bls. 82-83).
•  
• Einar H. Guðmundsson, 2023: Eðlisfræði nær fótfestu við Háskóla Íslands.

.

Viðauki A: Öreindir og nöfn þeirra

Fyrst leyfi ég mér að vísa lesendum á tvær fróðlegar greinar:

• Kragh, H., 2022: A terminological history of early elementary particle physics.
• Garisto, D., 2017: A brief etymology of particle physics.

Hér er svo listi yfir gagnlegar Wikipedíugreinar um nokkur nöfn og hugtök sem koma fyrir í öreindafræði nútímans:

• Öreind
• Staðallíkanið
•  
• Mýeind
• Píeind
•  
• Sterkeind
•  
• Þungeind
• Miðeind
• Létteind
•  
• Þyngdareind

.

Viðauki B: Rit um og eftir Þorbjörn Sigurgeirsson

Mig langar til að minna á, að auk þessarar færslu og greinar Steindórs J. Erlingssonar Eðlisfræðingur verður til: Nám og rannsóknir Þorbjörns Sigurgeirssonar á árunum 1937-1947 (hausthefti Skírnis 2025, bls. 267-300), hefur talsvert verið birt áður um ævi og störf Þorbjörns. Lista yfir flestar þær ritsmíðar, ásamt tenglum, má nálgast í bloggfærslu minni:

• Einar H. Guðmundsson, 2021: Thorbjörn Sigurgeirsson (1917-1988): a brief overview of his life and scientific work.

Umfjöllun um Þorbjörn og ýmis verk hans á fimmta og sjötta áratugi tuttugustu aldar má einnig finna í greinaflokknum

• Einar H. Guðmundsson, 2023: Niels Bohr og Íslendingar. Sjá einkum IV. kafla.

Lesendum er jafnframt bent á eftirfarandi færslu:

• Einar H. Guðmundsson, 2021: Þorbjörn Sigurgeirsson: Nokkur aðgengileg ritverk og viðtöl á íslensku.