Eksperyment Wu

Chien-Shiung Wu , od którego pochodzi nazwa eksperymentu Wu, zaprojektował eksperyment i kierował zespołem, który przeprowadził test zachowania parzystości w 1956 roku.

Eksperyment Wu był eksperymentem fizyki cząstek elementarnych i jądrowych przeprowadzonym w 1956 roku przez chińsko-amerykańskiego fizyka Chien-Shiung Wu we współpracy z Grupą Niskich Temperatur Amerykańskiego Narodowego Biura Standardów . Celem eksperymentu było ustalenie, czy zachowanie parzystości ( P -conservation), które zostało wcześniej ustalone w oddziaływaniach elektromagnetycznych i silnych , ma również zastosowanie do słabe interakcje . Gdyby P była prawdziwa, lustrzana wersja świata (gdzie lewa jest prawa, a prawa lewa) zachowywałaby się jak lustrzane odbicie obecnego świata. Gdyby P została naruszona, byłoby możliwe rozróżnienie między lustrzaną wersją świata a lustrzanym odbiciem obecnego świata.

Eksperyment ustalił, że zachowanie parzystości zostało naruszone ( P - naruszenie) przez oddziaływanie słabe, zapewniając sposób operacyjnego zdefiniowania lewej i prawej strony bez odniesienia do ludzkiego ciała. Wyniku tego nie spodziewała się społeczność fizyków, która wcześniej uważała parzystość za wielkość zachowaną . Tsung-Dao Lee i Chen-Ning Yang , fizycy teoretyczni, którzy zapoczątkowali ideę niezachowania parzystości i zaproponowali eksperyment, otrzymali w 1957 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za ten wynik. Chien-Shiung Wu w odkryciu została wspomniana w przemówieniu z okazji przyjęcia Nagrody Nobla, ale nie została uhonorowana aż do 1978 roku, kiedy otrzymała pierwszą nagrodę Wolfa .

Historia


U góry: P -symetria: Zegar zbudowany na wzór swojego lustrzanego odbicia będzie zachowywał się jak lustrzane odbicie oryginalnego zegara. Dół: P -asymetria: Zegar zbudowany na wzór swojego lustrzanego odbicia nie będzie się zachowywał jak lustrzany obraz oryginalnego zegara.

W 1927 roku Eugene Wigner sformalizował zasadę zachowania parzystości ( P -konserwacja), ideę, że obecny świat i ten zbudowany na jego lustrzane odbicie zachowywałyby się w ten sam sposób, z tą tylko różnicą, że lewa i prawa strona byłyby odwrócone (na przykład zegar, który obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, obracałby się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, gdyby zbudowano jego lustrzaną wersję).

Zasada ta została powszechnie zaakceptowana przez fizyków, a zasada zachowania P została eksperymentalnie zweryfikowana w oddziaływaniach elektromagnetycznych i silnych . Jednak w połowie lat pięćdziesiątych niektórych rozpadów z udziałem kaonów nie można było wyjaśnić istniejącymi teoriami, w których zakładano, że zasada zachowania P jest prawdziwa. Wydaje się, że istnieją dwa rodzaje kaonów, jeden, który rozpada się na dwa piony , a drugi, który rozpada się na trzy piony. Było to znane jako układanka τ – θ .

Fizycy teoretyczni Tsung-Dao Lee i Chen-Ning Yang dokonali przeglądu literatury dotyczącej kwestii zachowania parzystości we wszystkich fundamentalnych interakcjach. Doszli do wniosku, że w przypadku oddziaływania słabego dane eksperymentalne ani nie potwierdziły, ani nie obaliły P -konserwacji. Wkrótce potem zwrócili się do Chien-Shiung Wu , który był ekspertem w dziedzinie spektroskopii rozpadu beta , z różnymi pomysłami na eksperymenty. Zdecydowali się na przetestowanie właściwości kierunkowych rozpadu beta w kobalcie-60 . Wu zdała sobie sprawę z potencjału przełomowego eksperymentu i zaczęła na poważnie pracować pod koniec maja 1956 roku, odwołując planowaną podróż do Genewy i na Daleki Wschód z mężem, chcąc pokonać resztę społeczności fizyków do ciosu. Większość fizyków, na przykład bliski przyjaciel Wolfgang Pauli , uważała to za niemożliwe.

Aby przeprowadzić eksperyment, Wu musiała skontaktować się z Henrym Boorse i Markiem W. Zemanskym , którzy mieli duże doświadczenie w fizyce niskich temperatur . Na polecenie Boorse'a i Zemansky'ego Wu skontaktował się z Ernestem Amblerem z National Bureau of Standards , który zorganizował przeprowadzenie eksperymentu w 1956 roku w niskotemperaturowych laboratoriach NBS . Po kilku miesiącach pracy nad przezwyciężeniem trudności technicznych zespół Wu zaobserwował asymetrię wskazującą na naruszenie parzystości w grudniu 1956 roku.

Lee i Yang, którzy zainicjowali eksperyment Wu, otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1957 roku, wkrótce po przeprowadzeniu eksperymentu. Rola Wu w odkryciu została wspomniana w przemówieniu z okazji przyjęcia nagrody, ale została uhonorowana dopiero w 1978 roku, kiedy otrzymała inauguracyjną Nagrodę Wolfa . Wielu było oburzonych, od jej bliskiego przyjaciela Wolfganga Pauli, po Lee i Yang, z laureatem Nagrody Nobla z 1988 roku, Jackiem Steinbergerem uznając to za największy błąd w historii komitetu noblowskiego. Wu nie omówiła publicznie swoich uczuć na temat nagrody, ale w liście, który napisała do Steinbergera, powiedziała: „Chociaż nie prowadziłam badań tylko dla nagrody, nadal bardzo mnie boli, że moja praca została pominięta z pewnych powodów. "

Teoria

Jeśli dana interakcja zachowuje symetrię parzystości, oznacza to, że gdyby zamieniono lewą i prawą stronę, interakcja zachowywałaby się dokładnie tak, jak przed zamianą. Innym sposobem wyrażenia tego jest wyobrażenie sobie, że zbudowane są dwa światy, które różnią się tylko parzystością - świat „prawdziwy” i świat „lustrzany”, w którym zamienia się lewą i prawą stronę. Jeśli interakcja jest symetryczna, daje takie same wyniki w obu „światach”.

Celem eksperymentu Wu było ustalenie, czy tak jest w przypadku oddziaływania słabego, poprzez sprawdzenie, czy produkty rozpadu kobaltu-60 były emitowane preferencyjnie w jednym kierunku, czy nie. Oznaczałoby to naruszenie symetrii parzystości, ponieważ gdyby oddziaływanie słabe było z zachowaniem parzystości, emisje rozpadu powinny być emitowane z jednakowym prawdopodobieństwem we wszystkich kierunkach. Jak stwierdzili Wu i wsp.:

Zaobserwowanie asymetrii w rozkładzie między θ a 180° − θ (gdzie θ jest kątem między orientacją jąder macierzystych a pędem elektronów) dostarcza jednoznacznego dowodu, że parzystość nie jest zachowana w rozpadzie beta.

Powodem tego jest to, że jądro kobaltu-60 przenosi spin , a spin nie zmienia kierunku pod parzystością (ponieważ moment pędu jest wektorem osiowym ). I odwrotnie, kierunek, w którym emitowane są produkty rozpadu, się przy parzystości, ponieważ pęd jest wektorem biegunowym . Innymi słowy, w „prawdziwym” świecie, gdyby spin jądrowy kobaltu-60 i emisje produktów rozpadu były mniej więcej w tym samym kierunku, to w „lustrzanym” świecie byłyby one mniej więcej w przeciwnych kierunkach, ponieważ emisja kierunek zostałby odwrócony, ale kierunek wirowania nie.

Byłaby to wyraźna różnica w zachowaniu słabej interakcji między obydwoma „światami”, a zatem nie można powiedzieć, że słaba interakcja jest symetryczna. Jedynym sposobem, w jaki oddziaływanie słabe mogłoby być symetryczne, jest brak preferencji kierunku emisji, ponieważ wtedy odwrócenie kierunku emisji w „lustrzanym” świecie nie różniłoby się od „prawdziwego” świata, ponieważ tam i tak były równe liczby emisji w obu kierunkach.

Eksperyment

Eksperyment Wu przeprowadzony w laboratorium niskotemperaturowym Bureau of Standards w Waszyngtonie w 1956 roku. Pionowa komora próżniowa, zawierająca kobalt-60, detektory i cewkę polową, jest umieszczana w Dewarze przed włożeniem do dużego elektromagnesu w tło, które ochłodzi radioizotop w pobliżu zera absolutnego przez rozmagnesowanie adiabatyczne .

Eksperyment monitorował rozpad atomów kobaltu-60 ( 60 Co), które zostały wyrównane przez jednolite pole magnetyczne (pole polaryzacyjne) i schłodzone do temperatury bliskiej zera absolutnego , tak że ruchy termiczne nie zniszczyły wyrównania. Kobalt-60 jest niestabilnym izotopem kobaltu , który rozpada się w wyniku rozpadu beta do stabilnego izotopu niklu-60 ( 60 Ni). Podczas tego rozpadu jeden z neutronów w jądrze kobaltu-60 rozpada się na proton , emitując elektron (np. − ) i antyneutrino elektronowe ( ν e ). Powstałe jądro niklu jest jednak w stanie wzbudzonym i szybko przechodzi do stanu podstawowego, emitując dwa promienie gamma (γ). Stąd ogólne równanie jądrowe reakcji to:

Promienie gamma to fotony, a ich uwalnianie z jądra niklu-60 jest procesem elektromagnetycznym (EM). Jest to ważne, ponieważ wiadomo było, że EM respektuje zachowanie parzystości, a zatem byłyby emitowane mniej więcej jednakowo we wszystkich kierunkach (byłyby rozmieszczone z grubsza „izotropowo”). W związku z tym rozkład emitowanych elektronów można porównać z rozkładem emitowanych promieni gamma, aby porównać, czy one również były emitowane izotropowo. Innymi słowy, rozkład promieni gamma działał jako kontrola do dystrybucji emitowanych elektronów. Inną zaletą emitowanych promieni gamma było to, że wiadomo było, w jakim stopniu ich nie było rozłożone idealnie równomiernie we wszystkich kierunkach („anizotropia” ich rozkładu) można wykorzystać do określenia, jak dobrze wyrównano jądra kobaltu-60 (jak dobrze wyrównano ich spiny). Gdyby jądra kobaltu-60 w ogóle nie były wyrównane, to bez względu na to, jak emisja elektronów byłaby naprawdę rozłożona, nie zostałaby wykryta w eksperymencie. Dzieje się tak, ponieważ można by oczekiwać, że nieustawiona próbka jąder będzie zorientowana losowo, a zatem emisje elektronów byłyby losowe, a eksperyment wykryłby równą liczbę emisji elektronów we wszystkich kierunkach, nawet jeśli byłyby one emitowane z każdego pojedynczego jądra tylko w jeden kierunek.

Następnie w eksperymencie zasadniczo policzono szybkość emisji promieni gamma i elektronów w dwóch różnych kierunkach i porównano ich wartości. Szybkość tę mierzono w czasie i przy polu polaryzacyjnym zorientowanym w przeciwnych kierunkach. Gdyby szybkości zliczania elektronów nie różniły się znacząco od szybkości zliczania promieni gamma, istniałyby dowody sugerujące, że parzystość była rzeczywiście zachowana przez oddziaływanie słabe. Gdyby jednak wskaźniki zliczania były znacząco różne, istniałyby mocne dowody na to, że słaba interakcja rzeczywiście narusza zachowanie parzystości.

Materiały i metody

Schemat eksperymentu Wu.

Eksperymentalnym wyzwaniem w tym eksperymencie było uzyskanie najwyższej możliwej polaryzacji jąder 60 Co. Ze względu na bardzo małe momenty magnetyczne jąder w porównaniu z elektronami, potrzebne były silne pola magnetyczne w ekstremalnie niskich temperaturach, znacznie niższych niż można by osiągnąć przez chłodzenie samym ciekłym helem. Niskie temperatury uzyskano metodą demagnetyzacji adiabatycznej . Radioaktywny kobalt został osadzony jako cienka warstwa powierzchniowa na krysztale azotanu cerowo-magnezowego, soli paramagnetycznej o wysoce anizotropowym współczynniku g Landégo .

Sól namagnesowano wzdłuż osi wysokiego współczynnika g, a temperaturę obniżono do 1,2 K przez pompowanie helu do niskiego ciśnienia. Wyłączenie poziomego pola magnetycznego spowodowało spadek temperatury do około 0,003 K. Magnes poziomy został otwarty, pozostawiając miejsce na wprowadzenie i włączenie pionowego solenoidu w celu ustawienia jąder kobaltu w górę lub w dół. Tylko nieznaczny wzrost temperatury był spowodowany przez pole magnetyczne solenoidu, ponieważ orientacja pola magnetycznego solenoidu była w kierunku niskiego współczynnika g. Ta metoda uzyskania wysokiej polaryzacji 60 Kojądra zostały zapoczątkowane przez Gortera i Rose.

Wytwarzanie promieni gamma monitorowano za pomocą liczników równikowych i biegunowych jako miary polaryzacji. Polaryzacja promieniowania gamma była stale monitorowana przez następny kwadrans, gdy kryształ się nagrzewał i zanikała anizotropia. Podobnie emisje promieniowania beta były stale monitorowane podczas tego okresu ocieplenia.

Wyniki

Wynik eksperymentu Wu, w którym atom kobaltu o wektorze spinowym j emituje elektron e .

W eksperymencie przeprowadzonym przez Wu anizotropia promieniowania gamma wynosiła około 0,6. Oznacza to, że około 60% promieni gamma zostało wyemitowanych w jednym kierunku, podczas gdy 40% zostało wyemitowanych w drugim. Gdyby parzystość była zachowana w rozpadzie beta, emitowane elektrony nie miałyby preferowanego kierunku rozpadu w stosunku do spinu jądra, a asymetria w kierunku emisji byłaby zbliżona do wartości dla promieni gamma. Jednak Wu zauważył, że elektrony były emitowane w kierunku preferencyjnie przeciwnym do kierunku promieni gamma z asymetrią znacznie większą niż wartość anizotropii promieniowania gamma. Oznacza to, że większość elektronów faworyzowała bardzo określony kierunek rozpadu, szczególnie przeciwny do kierunku spinu jądra. Zaobserwowana asymetria elektronowa również nie zmieniała znaku po odwróceniu pola polaryzacyjnego, co oznacza, że ​​asymetria nie była spowodowana pozostałości namagnesowania w próbkach. Później ustalono, że naruszenie parytetu było w rzeczywistości maksymalne.

Wyniki bardzo zaskoczyły społeczność fizyków. Kilku badaczy starało się następnie odtworzyć wyniki grupy Wu, podczas gdy inni zareagowali z niedowierzaniem na wyniki. Wolfgang Pauli , poinformowany przez Georgesa M. Temmera, który również pracował w NBS, że nie można już zakładać, że zachowanie parzystości jest prawdziwe we wszystkich przypadkach, wykrzyknął: „To totalny nonsens!”. Temmer zapewnił go, że wynik eksperymentu potwierdził, że tak jest, na co Pauli krótko odpowiedział: „W takim razie trzeba to powtórzyć!”. Do końca 1957 roku dalsze badania potwierdziły oryginalne wyniki grupy Wu i P - naruszenie zostało mocno stwierdzone.

Mechanizm i konsekwencje

Diagram Feynmana dla rozpadu
β -
neutronu na proton , elektron i antyneutrino elektronowe przez pośredni bozon
W -
.

Wyniki eksperymentu Wu dostarczają sposobu na operacyjne zdefiniowanie pojęcia lewicy i prawicy. Jest to nieodłącznie związane z naturą oddziaływań słabych. Wcześniej, gdyby naukowcy na Ziemi komunikowali się z naukowcem z nowo odkrytej planety i nigdy nie spotkali się osobiście, każda grupa nie byłaby w stanie jednoznacznie określić lewej i prawej strony drugiej grupy. Dzięki eksperymentowi Wu można przekazać drugiej grupie, co dokładnie i jednoznacznie oznaczają słowa lewy i prawy. Eksperyment Wu ostatecznie rozwiązał problem Ozmy co ma dać jednoznaczną definicję naukową lewicy i prawicy.

Na poziomie podstawowym (jak pokazano na diagramie Feynmana po prawej), rozpad beta jest spowodowany konwersją ujemnie naładowanego ( - 1 / 3 e ) kwarku dolnego na dodatnio naładowany ( + 2 / 3 e ) kwark górny przez emisja
bozonu
W _ ; bozon
W -
następnie rozpada się na elektron i antyneutrino elektronowe:


re
→
u
+
mi -
+
ν
mi .

Kwark ma lewą i prawą część. Kiedy przechodzi przez czasoprzestrzeń, oscyluje tam iz powrotem od prawej do lewej części i od lewej do prawej części. Analizując demonstrację łamania parzystości w eksperymencie Wu, można wywnioskować, że rozpadowi ulega tylko lewa część kwarków dolnych, a oddziaływanie słabe obejmuje tylko lewą część kwarków i leptonów (lub prawą część antykwarków i antyleptonów). Prawa część cząstki po prostu nie odczuwa oddziaływania słabego. Gdyby kwark dolny nie miał masy, nie oscylowałby, a jego prawa część sama byłaby całkiem stabilna. Ponieważ jednak kwark dolny jest masywny, oscyluje i rozpada się.

Ogólnie rzecz biorąc, magnetyczne polaryzuje pionowo jądra
60 27 Displaystyle
tak, że . Ponieważ zachowuje moment _ oznacza, że . Stąd stężenie promieni beta w kierunku ujemnym-z wskazywało na preferencję dla lewoskrętnych kwarków i elektronów.

Na podstawie eksperymentów, takich jak eksperyment Wu i eksperyment Goldhabera, ustalono, że bezmasowe neutrina muszą być lewoskrętne, podczas gdy bezmasowe antyneutrina muszą być prawoskrętne. Ponieważ obecnie wiadomo, że neutrina mają małą masę, zaproponowano istnienie neutrin prawoskrętnych i antyneutrin lewoskrętnych. Te neutrina nie łączyłyby się ze słabym Lagrange'em i oddziaływałyby tylko grawitacyjnie, prawdopodobnie tworząc część ciemnej materii we wszechświecie.

Wpływ i wpływ

Odkrycie to przygotowało grunt pod rozwój Modelu Standardowego , ponieważ model opierał się na idei symetrii cząstek i sił oraz na tym, jak cząstki mogą czasami łamać tę symetrię. Szerokie zainteresowanie jej odkryciem skłoniło odkrywcę rozszczepienia, Otto Roberta Frischa, do wzmianki, że ludzie w Princeton często mówili, że jej odkrycie było najbardziej znaczące od czasu eksperymentu Michelsona-Morleya , który zainspirował teorię względności Einsteina . AAUW _ nazwał to „rozwiązaniem zagadki numer jeden fizyki atomowej i jądrowej”. Poza wykazaniem odrębnej charakterystyki słabego oddziaływania od pozostałych trzech konwencjonalnych sił oddziaływania, ostatecznie doprowadziło to do ogólnego naruszenia CP , naruszenia symetrii parzystości koniugacji ładunku. To naruszenie oznaczało, że naukowcy mogli odróżnić materię od antymaterii i stworzyć rozwiązanie, które wyjaśniałoby istnienie wszechświata jako wypełnionego materią. Dzieje się tak dlatego, że brak symetrii dawał możliwość zachwiania równowagi między materią a antymaterią , co pozwoliłoby materii istnieć dzisiaj poprzez Wielki Wybuch . W uznaniu ich pracy teoretycznej Lee i Yang otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Aby jeszcze bardziej przytoczyć wpływ, jaki wywarła, laureat Nagrody Nobla Abdus Salam zażartował:

Gdyby jakikolwiek klasyczny pisarz kiedykolwiek rozważał olbrzymów ( cyklopów ) tylko lewym okiem. [Jeden] przyznałby się, że opisano jednookich olbrzymów i [dostarczyłby] mi ich pełną listę; ale zawsze mają swoje samotne oko na środku czoła. Moim zdaniem odkryliśmy, że kosmos jest słabym lewookim olbrzymem.

Odkrycie Wu utorowałoby drogę do ujednoliconej siły elektrosłabej , którą Salam udowodnił, która teoretycznie ma łączyć się z siłą silną, tworząc całkowicie nowy model i teorię wielkiej unifikacji .

Zobacz też

Dalsza lektura

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Wu_experiment&oldid=1128040454 ”