Ву эксперимент

Чиен-Шиунг Ву , в честь которого назван эксперимент Ву, спроектировал эксперимент и возглавил группу, проводившую проверку сохранения четности в 1956 году.

Эксперимент Ву — эксперимент по физике элементарных частиц и ядерной физики , проведенный в 1956 году американским физиком китайского происхождения Цзянь-Шюн Ву в сотрудничестве с Группой низких температур Национального бюро стандартов США . Целью эксперимента было установить, применимо ли сохранение четности ( P -сохранение), установленное ранее в электромагнитных и сильных взаимодействиях, и к слабым взаимодействиям . Если бы P -сохранение было верным, зеркальная версия мира (где лево — это право, а право — это лево) вела бы себя как зеркальное отражение текущего мира. Если бы P -сохранение было нарушено, то можно было бы отличить зеркальную версию мира от зеркального отображения текущего мира.

Эксперимент установил, что сохранение четности было нарушено ( P -нарушение) слабым взаимодействием, что дало возможность оперативно определять лево и право без привязки к человеческому телу. Этого результата не ожидало физическое сообщество, которое ранее считало четность симметрией, применимой ко всем силам природы. Цунг-Дао Ли и Чэнь-Нин Ян , физики-теоретики, выдвинувшие идею несохранения четности и предложившие эксперимент, получили Нобелевскую премию по физике за этот результат не была присуждена Нобелевской премии, она была упомянута в речи Янга и Ли на вручении Нобелевской премии: 1957 года. Хотя роль Чиен-Шиунг Ву в открытии но ее удостоили только в 1978 году, когда ей была присуждена первая премия Вольфа .

История

Вверху: P -симметрия: часы, построенные по зеркальному изображению, будут вести себя как зеркальное изображение исходных часов.
Внизу: P -асимметрия: часы, построенные по зеркальному изображению, не будут вести себя как зеркальное изображение исходных часов.

В 1927 году Юджин Вигнер формализовал принцип сохранения четности ( P -сохранения), идея о том, что текущий мир и тот, который построен как его зеркальное отражение, будут вести себя одинаково, с той лишь разницей, что левое и правое будут поменяны местами (например, часы, которые вращаются по часовой стрелке, вращались бы против часовой стрелки, если бы их зеркальная версия была построен).

Этот принцип получил широкое признание среди физиков, а P -сохранение было экспериментально подтверждено в электромагнитных и сильных взаимодействиях. Однако в середине 1950-х годов некоторые распады с участием каонов не могли быть объяснены существующими теориями, в которых P предполагалось, что -сохранение верно. Кажется, существовало два типа каонов: один распался на два пиона , а другой — на три пиона. Это было известно как τ–θ головоломка .

Физики-теоретики Цунг-Дао Ли и Чэнь-Нин Ян сделали обзор литературы по вопросу сохранения четности во всех фундаментальных взаимодействиях. Они пришли к выводу, что в случае слабого взаимодействия экспериментальные данные не подтверждают и не опровергают P -сохранение. Вскоре после этого они обратились к Чиен-Шиунгу Ву , эксперту по бета-распада спектроскопии , с различными идеями для экспериментов. Они остановились на идее проверить направленные свойства бета-распада кобальта-60 . Ву осознала потенциал прорывного эксперимента и всерьез приступила к работе в конце мая 1956 года, отменив запланированную поездку в Женеву и на Дальний Восток с мужем, желая опередить остальную часть физического сообщества. Большинство физиков, например, близкий друг Вольфганг Паули , считали это невозможным и даже выражали скептицизм относительно предложения Янга-Ли.

Ву пришлось связаться с Генри Бурсом и Марком В. Земански , которые имели большой опыт в физике низких температур , чтобы провести свой эксперимент. По указанию Бурса и Земанского Ву связался с Эрнестом Амблером из Национального бюро стандартов , который организовал проведение эксперимента в 1956 году в NBS . низкотемпературных лабораториях После нескольких месяцев работы над преодолением технических трудностей в декабре 1956 года команда Ву заметила асимметрию, указывающую на нарушение четности.

Ли и Ян, инициировавшие эксперимент Ву, были удостоены Нобелевской премии по физике в 1957 году, вскоре после проведения эксперимента. Роль Ву в открытии была упомянута в речи на вручении премии: но не была удостоена этой награды до 1978 года, когда ей была присуждена первая премия Вольфа . Многие были возмущены, от ее близкого друга Вольфганга Паули до Ли и Янга, а лауреат Нобелевской премии 1988 года Джек Стейнбергер назвал это самой большой ошибкой в ​​истории Нобелевского комитета. Ву не обсуждала публично свои чувства по поводу премии, но в письме, которое она написала Стейнбергеру, она сказала: «Хотя я не проводила исследования только ради премии, меня все равно очень ранит то, что мою работу по определенным причинам упустили из виду. "

Теория

Если конкретное взаимодействие соблюдает симметрию четности, это означает, что если бы левое и правое были заменены местами, взаимодействие вело бы себя точно так же, как и до обмена. Другой способ выразить это — представить, что созданы два мира, различающиеся только по четности: «реальный» мир и «зеркальный» мир, где левое и правое поменяны местами. Если взаимодействие симметрично по четности, оно приводит к одинаковым результатам в обоих «мирах».

Цель эксперимента Ву состояла в том, чтобы определить, справедливо ли это для слабого взаимодействия, наблюдая за тем, испускаются ли продукты распада кобальта-60 преимущественно в одном направлении или нет. Это означало бы нарушение симметрии четности, поскольку, если бы слабое взаимодействие сохраняло четность, излучения распада должны были бы излучаться с одинаковой вероятностью во всех направлениях. Как заявили Ву и др.:

Если наблюдается асимметрия в распределении между θ и 180 ° — θ (где θ — угол между ориентацией родительских ядер и импульсом электронов), это является недвусмысленным доказательством того, что четность не сохраняется при бета-распаде.

Причина этого в том, что ядро ​​кобальта-60 несет спин , а спин не меняет направление при четности (поскольку угловой момент является аксиальным вектором ). И наоборот, направление испускания продуктов распада изменяется при четности, поскольку импульс является полярным вектором . Другими словами, если бы в «реальном» мире спин ядра кобальта-60 и выбросы продуктов распада были примерно в одном направлении, то в «зеркальном» мире они были бы примерно в противоположных направлениях, потому что излучение направление изменилось бы, но направление вращения — нет.

Это было бы явным различием в поведении слабого взаимодействия между обоими «мирами», и, следовательно, о слабом взаимодействии нельзя было бы сказать, что оно симметрично по четности. Единственный способ, при котором слабое взаимодействие могло бы быть симметричным по четности, — это отсутствие предпочтения в направлении излучения, потому что тогда поворот в направлении излучения в «зеркальном» мире не будет отличаться от «реального» мира, потому что там в любом случае количество выбросов в обоих направлениях было равным.

Эксперимент

Эксперимент Ву, проведенный в лаборатории низких температур Бюро стандартов в Вашингтоне, округ Колумбия, в 1956 году. Вертикальную вакуумную камеру, содержащую кобальт-60, детекторы и катушку возбуждения, помещают в сосуд Дьюара, а затем вставляют в большой электромагнит. фон, который охладит радиоизотоп вблизи абсолютного нуля за счет адиабатического размагничивания .

В эксперименте отслеживался распад кобальта-60 ( ⁶⁰ Со) атомы, которые были выровнены однородным магнитным полем (поляризующим полем) и охлаждены почти до абсолютного нуля, так что тепловые движения не нарушили выравнивание. Кобальт-60 — нестабильный изотоп кобальта , который распадается путем бета-распада на стабильный изотоп никель-60 ( ⁶⁰ Ни). Во время этого распада один из нейтронов ядра кобальта-60 распадается на протон , испуская электрон (e ⁻ ) и электронное антинейтрино ( ν _e ). Однако образующееся ядро ​​никеля находится в возбужденном состоянии и быстро переходит в основное состояние, испуская два гамма-излучения (γ). Следовательно, общее ядерное уравнение реакции имеет вид:

${}_{27}^{60}{\text{Co}}\rightarrow {}_{28}^{60}{\text{Ni}}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}+2{\gamma }$

Гамма-лучи представляют собой фотоны, и их высвобождение из ядра никеля-60 представляет собой электромагнитный (ЭМ) процесс. Это важно, поскольку известно, что ЭМ соблюдают сохранение четности, и поэтому они будут излучаться примерно одинаково во всех направлениях (они будут распределяться примерно «изотропно»). Следовательно, распределение испускаемых электронов можно сравнить с распределением испускаемых гамма-лучей, чтобы сравнить, испускаются ли они тоже изотропно. Другими словами, распределение гамма-лучей контролировало распределение испускаемых электронов. Еще одним преимуществом испускаемых гамма-лучей было то, что было известно, что степень, в которой они не были распределены совершенно одинаково во всех направлениях («анизотропия» их распределения), можно было использовать для определения того, насколько хорошо ядра кобальта-60 были выровнены. (насколько хорошо их вращения были выровнены). Если бы ядра кобальта-60 вообще не были выровнены, то как бы на самом деле ни распределялась электронная эмиссия, она не была бы обнаружена экспериментом. Это связано с тем, что можно было бы ожидать, что невыровненная выборка ядер будет ориентирована случайным образом, и, таким образом, эмиссия электронов будет случайной, и эксперимент обнаружит равное количество эмиссий электронов во всех направлениях, даже если они испускаются из каждого отдельного ядра только за один раз. одно направление.

Затем эксперимент по существу подсчитал скорость излучения гамма-лучей и электронов в двух различных направлениях и сравнил их значения. Эта скорость измерялась во времени при поляризационном поле, ориентированном в противоположных направлениях. Если бы скорости счета электронов существенно не отличались от скорости счета гамма-лучей, тогда были бы основания полагать, что четность действительно сохраняется за счет слабого взаимодействия. Однако если бы скорости счета существенно различались, то было бы убедительное доказательство того, что слабое взаимодействие действительно нарушает сохранение четности.

Материалы и методы

Схема эксперимента Ву.

Экспериментальной задачей в этом эксперименте было получение максимально возможной поляризации ⁶⁰ Ядра Ко. Из-за очень малых магнитных моментов ядер по сравнению с электронами требовались сильные магнитные поля при чрезвычайно низких температурах, намного более низких, чем можно было достичь одним только охлаждением жидким гелием. Низкие температуры были достигнуты с помощью метода адиабатического размагничивания . Радиоактивный кобальт был нанесен в виде тонкого поверхностного слоя на кристалл нитрата церия-магния, парамагнитной соли с сильно анизотропным g-фактором Ланде .

Соль намагничивали вдоль оси высокого g-фактора, а температуру снижали до 1,2 К путем откачки гелия до низкого давления. Отключение горизонтального магнитного поля привело к снижению температуры примерно до 0,003 К. Горизонтальный магнит был открыт, давая место для установки и включения вертикального соленоида для выравнивания ядер кобальта вверх или вниз. Лишь незначительное повышение температуры было вызвано магнитным полем соленоида, поскольку ориентация магнитного поля соленоида была в направлении низкого g-фактора. Этот метод достижения высокой поляризации ⁶⁰ Ядра Co были созданы Гортером. и Роуз.

Производство гамма-лучей контролировалось с помощью экваториальных и полярных счетчиков как меры поляризации. Поляризация гамма-лучей непрерывно контролировалась в течение следующих четверти часа по мере прогрева кристалла и потери анизотропии. Аналогичным образом, в течение этого периода потепления постоянно отслеживалось излучение бета-излучения.

Результаты

Результат эксперимента Ву, в котором атом кобальта с вектором спина j испускает электрон e .

В эксперименте Ву анизотропия гамма-лучей составляла примерно 0,6. То есть примерно 60% электронов было эмитировано в одном направлении, а 40% — в другом. Если бы при бета-распаде сохранялась четность, испускаемые электроны не имели бы предпочтительного направления распада относительно ядерного спина, а асимметрия в направлении испускания была бы близка к значению для гамма-лучей. Однако Ву заметил, что электроны испускались в направлении, преимущественно противоположном направлению гамма-лучей, с асимметрией, значительно превышающей значение анизотропии гамма-лучей. То есть большинство электронов предпочитали очень специфическое направление распада, противоположное направлению ядерного спина. Наблюдаемая электронная асимметрия также не меняла знак при изменении поляризующего поля, а это означает, что асимметрия не была вызвана остаточной намагниченностью в образцах. Позже было установлено, что нарушение четности на самом деле было максимальным.

Результаты сильно удивили физическое сообщество. Затем несколько исследователей попытались воспроизвести результаты группы Ву. в то время как другие отреагировали на результаты с недоверием. Вольфганг Паули , получив от Жоржа М. Теммера , который также работал в НБС, информацию о том, что сохранение четности больше нельзя считать верным во всех случаях, воскликнул: «Это полная чушь!» Теммер заверил его, что результаты эксперимента подтвердили, что это так, на что Паули коротко ответил: «Тогда его необходимо повторить!» К концу 1957 года дальнейшие исследования подтвердили первоначальные результаты группы Ву, и P -нарушение было твердо установлено.

Механизм и последствия

Диаграмма Фейнмана для
б ⁻
распад нейтрона на протон , электрон и электронное антинейтрино через промежуточное соединение
В ⁻
бозон .

Результаты эксперимента Ву дают возможность оперативно определить понятия левого и правого. Это заложено в природе слабого взаимодействия. Раньше, если бы ученые на Земле общались с учеными с недавно открытой планеты и никогда не встречались лично, каждая группа не могла бы однозначно определить лево и право другой группы. С помощью эксперимента Ву можно точно и недвусмысленно сообщить другой группе, что означают слова «левый» и «правый». Эксперимент Ву наконец решил проблему Озмы , которая должна дать однозначное научное определение левого и правого.

На фундаментальном уровне (как показано на диаграмме Фейнмана справа) бета-распад вызван преобразованием отрицательно заряженного ( - ⁠ 1 / 3 ⁠ e ) вниз кварк к положительно заряженному ( + ⁠ 2 / 3 ⁠ e ) ап-кварк в результате испускания
В ⁻
бозон ; тот
В ⁻
Бозон впоследствии распадается на электрон и электронное антинейтрино:

д
→
в
+
и ⁻
+
н
_и .

У кварка есть левая и правая части. Проходя через пространство-время, он колеблется взад и вперед от правой части к левой части и от левой части к правой части. Из анализа демонстрации нарушения четности в эксперименте Ву можно сделать вывод, что распадается только левая часть нижних кварков, а в слабом взаимодействии участвует только левая часть кварков и лептонов (или правая часть антикварков и антилептонов). Правая часть частицы просто не чувствует слабого взаимодействия. Если бы даун-кварк не имел массы, он не колебался бы, и его правая часть сама по себе была бы вполне стабильной. Однако, поскольку даун-кварк массивен, он колеблется и распадается.

В целом, как $J_{\text{Co}}=5$сильное магнитное поле вертикально поляризует ⁶⁰
₂₇ Ко
ядра такие, что $J_{z,{\text{Co}}}=J_{\text{Co}}=+5$. С $J_{\text{Ni}}=4$ и распад сохраняет угловой момент , $J_{z,{\text{Co}}}=J_{z,{\text{Ni}}}+J_{z,e^{-}}+J_{z,\nu }=+5$ подразумевает, что $J_{z,e^{-}}=J_{z,\nu }=+1/2$. Таким образом, концентрация бета-лучей в отрицательном направлении z указывала на предпочтение левых кварков и электронов.

В результате таких экспериментов, как эксперимент Ву и эксперимент Гольдхабера , было установлено, что безмассовые нейтрино должны быть левыми, а безмассовые антинейтрино — правыми. Поскольку в настоящее время известно, что нейтрино имеют малую массу, было высказано предположение о возможности существования правых нейтрино и левых антинейтрино. Эти нейтрино не будут связываться со слабым лагранжианом и будут взаимодействовать только гравитационно, возможно, образуя часть темной материи во Вселенной.

Воздействие и влияние

Это открытие заложило основу для разработки Стандартной модели , поскольку модель основывалась на идее симметрии частиц и сил и о том, как частицы иногда могут нарушать эту симметрию. Широкое освещение ее открытия побудило первооткрывателя деления Отто Роберта Фриша упомянуть, что люди в Принстоне часто говорили, что ее открытие было самым значительным со времен эксперимента Майкельсона-Морли , который вдохновил Эйнштейна на создание теории относительности . AAUW назвал это « решением загадки номер один атомной и ядерной физики». Помимо демонстрации отличий слабого взаимодействия от трех других обычных сил взаимодействия, это в конечном итоге привело к общему нарушению CP , нарушению симметрии четности зарядового сопряжения. Это нарушение означало, что исследователи смогли отличить материю от антиматерии и найти решение, которое объяснило бы существование Вселенной как вселенной, наполненной материей. Это связано с тем, что отсутствие симметрии дало возможность дисбаланса материи и антиматерии , который позволил бы материи существовать сегодня благодаря Большому взрыву . В знак признания их теоретической работы Ли и Ян были удостоены Нобелевской премии по физике в 1957 году. Чтобы еще раз процитировать то влияние, которое это оказало, нобелевский лауреат Абдус Салам : пошутил

Если бы какой-нибудь классический писатель когда-либо рассматривал гигантов ( циклопов ) только левым глазом. [Один] признался бы, что одноглазые великаны были описаны, и [был бы] предоставил мне их полный список; но они всегда щеголяют своим единственным глазом посередине лба. На мой взгляд, мы обнаружили, что космос — это слабый левоглазый гигант.

Открытие Ву проложит путь к единой электрослабой силе , которую доказал Салам, которая теоретически описывается как слияние с сильной силой для создания совершенно новой модели и теории Великого Объединения .

См. также

• «Двусторонняя вселенная» Мартина Гарднера ; книга, содержащая длинное популярное обсуждение четности и эксперимента Ву
• Взаимодействие Ферми

Дальнейшее чтение

• Мартин, туалет; Курси, Дж.; Драгосет, РА (июль 1997 г.). «Падение паритета» . Лаборатория физических измерений НИСТ .