эксперимент Ву

Эксперимент Ву был экспериментом по физике элементарных частиц и ядерной физики , проведенным в 1956 году китайско-американским физиком Цзянь-Шюн Ву в сотрудничестве с Группой низких температур Национального бюро стандартов США . ^[1] Целью эксперимента было установить, применяется ли сохранение четности ( P -сохранение), которое ранее было установлено в электромагнитных и сильных взаимодействиях, также к слабым взаимодействиям . Если бы P -сохранение было верным, зеркальная версия мира (где левое - это право, а правое - это левое) 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 определить левое и правое без ссылки на человеческое тело. Этот результат не ожидался физическим сообществом, которое ранее считало четность симметрией, применимой ко всем силам природы. Цзундао Ли и Чэнь-Нин Ян , физики-теоретики, которые выдвинули идею несохранения четности и предложили эксперимент, получили Нобелевскую премию по физике 1957 года за этот результат. Хотя Цзяньсюн У и не была удостоена Нобелевской премии, ее роль в открытии была упомянута в речи Янга и Ли при вручении Нобелевской премии ^[2] , но ее не чествовали до 1978 года, когда ей присудили первую премию Вольфа .

История

Вверху: P -симметрия: Часы, построенные как их зеркальное отражение, будут вести себя как зеркальное отражение оригинальных часов.
Внизу: P -асимметрия: Часы, построенные как их зеркальное отражение, не будут вести себя как зеркальное отражение оригинальных часов.

В 1927 году Юджин Вигнер формализовал принцип сохранения четности ( P -сохранения) ^[3] , идею о том, что современный мир и мир, построенный подобно своему зеркальному отображению, будут вести себя одинаково, с той лишь разницей, что левое и правое будут поменять местами (например, часы, которые вращаются по часовой стрелке, будут вращаться против часовой стрелки, если будет построена их зеркальная версия).

Этот принцип был широко принят физиками, и сохранение P 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 предполагалось, что сохранение P является истинным. Казалось, что существует два типа каонов, один из которых распадается на два пиона , а другой — на три пиона. Это было известно как загадка τ–θ . ^[4]

Физики-теоретики Цунг-Дао Ли и Чэнь-Нин Ян провели 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 сохранение P. ^[5] Вскоре после этого они обратились к Цзянь-Шюн У , который был экспертом по спектроскопии бета-распада , с различными идеями для экспериментов. Они остановились на идее проверки направленных свойств бета-распада в кобальте-60 . У осознала потенциал прорывного эксперимента и начала работать всерьез в конце мая 1956 года, отменив запланированную поездку в Женеву и на Дальний Восток со своим мужем, желая опередить остальную часть физического сообщества. Большинство физиков, такие как близкий друг Вольфганг Паули , считали это невозможным и даже выражали скептицизм относительно предложения Янга-Ли. ^[6]^[7]^[8]

Ву пришлось связаться с Генри Бурсом и Марком В. Земански , которые имели большой опыт в физике низких температур , чтобы провести свой эксперимент. По просьбе Бурса и Земански Ву связалась с Эрнестом Эмблером из Национального бюро стандартов , который организовал проведение эксперимента в 1956 году в низкотемпературных лабораториях НБС . ^[4] После нескольких месяцев работы по преодолению технических трудностей команда Ву обнаружила асимметрию, указывающую на нарушение четности в декабре 1956 года. ^[9]

Ли и Ян, которые инициировали эксперимент Ву, были награждены Нобелевской премией по физике в 1957 году, вскоре после проведения эксперимента. Роль Ву в открытии была упомянута в речи при вручении премии, ^[2] но не была отмечена до 1978 года, когда ей была присуждена инаугурационная премия Вольфа . ^[10] Многие были возмущены, от ее близкого друга Вольфганга Паули до Ли и Ян, а лауреат Нобелевской премии 1988 года Джек Штейнбергер назвал это самой большой ошибкой в истории Нобелевского комитета. ^[11] Ву публично не обсуждала свои чувства по поводу премии, но в письме, которое она написала Штейнбергеру, она сказала: «Хотя я проводила исследования не только ради премии, мне все равно очень больно, что мою работу по определенным причинам проигнорировали». ^[12]

Теория

Если конкретное взаимодействие соблюдает симметрию четности, это означает, что если бы левое и правое поменялись местами, взаимодействие вело бы себя точно так же, как и до обмена. Другой способ выразить это — представить, что построены два мира, которые отличаются только четностью — «реальный» мир и «зеркальный» мир, где левое и правое поменялись местами. Если взаимодействие симметрично по четности, оно производит одинаковые результаты в обоих «мирах». ^[1]

Целью эксперимента Ву было определить, так ли это для слабого взаимодействия, путем изучения того, 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, то распадные выбросы должны были бы испускаться с равной вероятностью во всех направлениях. Как утверждают Ву и др.: ^[1]

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

Причина этого в том, что ядро кобальта-60 несет спин , а спин не меняет направления при четности (потому что угловой момент является аксиальным вектором ). И наоборот, направление, в котором испускаются продукты распада, изменяется при четности, потому что импульс является полярным вектором . Другими словами, в «реальном» мире, если бы ядерный спин кобальта-60 и испускаемые продукты распада были бы примерно в одном направлении, то в «зеркальном» мире они были бы примерно в противоположных направлениях, потому что направление испускания было бы перевернуто, но направление спина — нет. ^[13]

Это было бы явным различием в поведении слабого взаимодействия между двумя "мирами", и, следовательно, слабое взаимодействие нельзя было бы назвать симметричным по четности. Единственный способ, которым слабое взаимодействие могло бы быть симметричным по четности, — это если бы не было предпочтения в направлении испускания, потому что тогда переворот в направлении испускания в "зеркальном" мире не выглядел бы иначе, чем в "реальном" мире, потому что в любом случае было бы равное количество испусканий в обоих направлениях.

Эксперимент

Эксперимент отслеживал распад атомов кобальта-60 ( ⁶⁰ Co), которые были выровнены однородным магнитным полем (поляризующим полем) и охлаждены почти до абсолютного нуля , чтобы тепловые движения не нарушали выравнивание. ^[14] Кобальт-60 является нестабильным изотопом кобальта , который распадается путем бета-распада на стабильный изотоп никель-60 ( ⁶⁰ Ni). Во время этого распада один из нейтронов в ядре кобальта-60 распадается на протон , испуская электрон (e ⁻ ) и электронное антинейтрино ( ν _e ). Полученное ядро никеля, однако, находится в возбужденном состоянии и быстро распадается в свое основное состояние, испуская два гамма-луча (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 — это фотоны, и их высвобождение из ядра никеля-60 является электромагнитным (ЭМ) процессом. Это важно, поскольку известно, что ЭМ соблюдает закон сохранения четности, и поэтому они будут испускаться примерно одинаково во всех направлениях (они будут распределены примерно «изотропно»). Следовательно, распределение испускаемых электронов можно было сравнить с распределением испускаемых гамма-лучей, чтобы сравнить, испускаются ли они тоже изотропно. Другими словами, распределение гамма-лучей действовало как контроль для распределения испускаемых электронов. Другим преимуществом испускаемых гамма-лучей было то, что было известно, что степень, в которой они не были распределены идеально равномерно во всех направлениях («анизотропия» их распределения), могла быть использована для определения того, насколько хорошо были выровнены ядра кобальта-60 (насколько хорошо были выровнены их спины). ^[15] Если бы ядра кобальта-60 вообще не были выровнены, то независимо от того, как на самом деле была распределена эмиссия электронов, она не была бы обнаружена экспериментом. Это связано с тем, что невыровненный образец ядер, как можно было бы ожидать, будет ориентирован случайным образом, и, таким образом, электронная эмиссия будет случайной, а эксперимент обнаружит одинаковое количество электронных эмиссий во всех направлениях, даже если они испускаются каждым отдельным ядром только в одном направлении.

Затем эксперимент по сути подсчитал скорость испускания гамма-лучей и электронов в двух различных направлениях и сравнил их значения. Эта скорость измерялась с течением времени и с поляризующим полем, ориентированным в противоположных направлениях. Если бы скорости подсчета электронов существенно не отличались от скоростей гамма-лучей, то были бы доказательства, позволяющие предположить, что четность действительно сохраняется слабым взаимодействием. Если бы, однако, скорости подсчета существенно отличались, то были бы веские доказательства того, что слабое взаимодействие действительно нарушает сохранение четности.

Материалы и методы

Экспериментальной задачей в этом эксперименте было получение максимально возможной поляризации ядер ⁶⁰ Co. Из-за очень малых магнитных моментов ядер по сравнению с электронами, требовались сильные магнитные поля при чрезвычайно низких температурах, намного ниже, чем можно было бы достичь только при охлаждении 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 высокоанизотропным g-фактором Ланде .

Соль была намагничена вдоль оси высокого g-фактора, и температура была снижена 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, что позволило ввести вертикальный соленоид и включить его, чтобы выровнять ядра кобальта либо вверх, либо вниз. Только незначительное увеличение температуры было вызвано магнитным полем соленоида, поскольку ориентация магнитного поля соленоида была в направлении низкого g-фактора. Этот метод достижения высокой поляризации ядер ⁶⁰ Co был создан Гортером ^[16] и Роузом. ^[17]

Производство гамма-лучей контролировалось с помощью экваториальных и полярных счетчиков в качестве меры поляризации. Поляризация гамма-лучей непрерывно контролировалась в течение следующей четверти часа, пока кристалл нагревался и анизотропия терялась. Аналогично, бета-излучение непрерывно контролировалось в течение этого периода нагревания. ^[1]

Результаты

В эксперименте, проведенном Ву, анизотропия гамма-лучей составляла приблизительно 0,6. То есть, приблизительно 60% электронов испускались в одном направлении, тогда как 40% испускались в другом. Если бы четность сохранялась в бета-распаде, 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 наблюдал, что электроны испускались в направлении, преимущественно противоположном направлению гамма-лучей, с асимметрией, значительно большей, чем значение анизотропии гамма-лучей. То есть, большинство электронов отдавали предпочтение очень специфическому направлению распада, в частности, противоположному направлению ядерного спина. ^[1] Наблюдаемая электронная асимметрия также не меняла знак, когда поляризующее поле было обращено, что означает, что асимметрия не была вызвана остаточной намагниченностью в образцах. Позже было установлено, что нарушение четности было фактически максимальным. ^[4]^[18]

Результаты сильно удивили физическое сообщество. Затем несколько исследователей поспешили воспроизвести результаты группы Ву, ^[19]^[20], в то время как другие отреагировали на результаты с недоверием. Вольфганг Паули , узнав от Жоржа М. Теммера, который также работал в НБС, что сохранение четности больше нельзя считать верным во всех случаях, воскликнул: «Это полная чушь!» Теммер заверил его, что результат эксперимента подтвердил это, на что Паули коротко ответил: «Тогда его нужно повторить!» ^[4] К концу 1957 года дальнейшие исследования подтвердили первоначальные результаты группы Ву, и нарушение P было твердо установлено. ^[4]

Механизм и последствия

Результаты эксперимента Ву дают возможность операционально определить понятия левого и правого. Это заложено в природе слабого взаимодействия. Раньше, если бы ученые на Земле общались с ученым с недавно открытой планеты, и они никогда не встречались лично, для каждой группы было бы невозможно однозначно определить левое и правое другой группы. С помощью эксперимента Ву можно сообщить другой группе, что слова левое и правое означают точно и однозначно. Эксперимент Ву наконец решил проблему Озмы , которая заключается в том, чтобы дать однозначное научное определение левого и правого. ^[21]

На фундаментальном уровне (как показано на диаграмме Фейнмана справа) бета-распад вызван преобразованием отрицательно заряженного ( − ⁠1/3⁠ e ) нижний кварк до положительно заряженного ( + ⁠2/3⁠ e ) ап-кварк путем испускания
Вт⁻
бозон ;
Вт⁻
Бозон впоследствии распадается на электрон и электронное антинейтрино:

г
→
ты
+
е⁻
+
ν
_е.

У кварка есть левая и правая части. Когда он движется по пространству-времени, он колеблется взад и вперед из правой части в левую и из левой части в правую. Из анализа демонстрации нарушения четности экспериментом Ву можно сделать вывод, что распадается только левая часть нижних кварков, а слабое взаимодействие включает только левую часть кварков и лептонов (или правую часть антикварков и антилептонов). Правая часть частицы просто не чувствует слабого взаимодействия. Если бы нижний кварк не имел массы, он бы не колебался, а его правая часть была бы сама по себе довольно стабильной. Тем не менее, поскольку нижний кварк массивен, он колеблется и распадается. ^[22]

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

Из таких экспериментов, как эксперимент Ву и эксперимент Гольдхабера, было установлено, что безмассовые нейтрино должны быть левосторонними, в то время как безмассовые антинейтрино должны быть правосторонними. Поскольку в настоящее время известно, что нейтрино имеют небольшую массу, было высказано предположение, что могут существовать правосторонние нейтрино и левосторонние антинейтрино. Эти нейтрино не будут взаимодействовать со слабым лагранжианом и будут взаимодействовать только гравитационно, возможно, образуя часть темной материи во Вселенной. ^[23]

Воздействие и влияние

Открытие подготовило почву для разработки Стандартной модели , поскольку модель опиралась на идею симметрии частиц и сил и на то, как частицы иногда могут нарушать эту симметрию. ^[24]^[25] 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 теорию относительности . ^[26] AAUW назвал его «решением загадки номер один атомной и ядерной физики». ^[27] Помимо демонстрации отличительной характеристики слабого взаимодействия от трех других обычных сил взаимодействия, это в конечном итоге привело к общему нарушению CP , нарушению симметрии четности сопряжения зарядов. ^[28] Это нарушение означало, что исследователи могли отличить материю от антиматерии и создать решение, которое объяснило бы существование Вселенной как заполненной материей. ^[29] Это связано с тем, что отсутствие симметрии дало возможность дисбаланса материи и антиматерии , что позволило бы материи существовать сегодня через Большой взрыв . ^[30] В знак признания их теоретической работы Ли и Янг были награждены Нобелевской премией по физике в 1957 году . ^[31] Чтобы еще раз процитировать влияние, которое она оказала, лауреат Нобелевской премии Абдус Салам пошутил:

Если бы какой-либо классический писатель когда-либо рассматривал гигантов ( циклопов ) только с левым глазом. [Один] признался бы, что одноглазые гиганты были описаны и [предоставил бы] мне полный их список; но они всегда щеголяют своим единственным глазом в середине лба. По моему мнению, мы обнаружили, что пространство — это слабый левоглазый гигант. ^[32]

Открытие У проложило путь к единому электрослабому взаимодействию , которое доказал Салам, и которое теоретически описывается как слияние с сильным взаимодействием, приводящее к созданию совершенно новой модели и Великой объединенной теории .

Смотрите также

«Вселенная Амбидекстров» Мартина Гарднера ; книга, содержащая длинное популярное обсуждение четности и эксперимента Ву
Взаимодействие Ферми

Ссылки

^ abcde Wu, CS; Ambler, E.; Hayward, RW; Hoppes, DD; Hudson, RP (1957). "Экспериментальная проверка сохранения четности при бета-распаде". Physical Review . 105 (4): 1413–1415. Bibcode :1957PhRv..105.1413W. doi : 10.1103/PhysRev.105.1413 .
^ ab Klein, OB (1957). «Нобелевская премия по физике 1957 года: речь на церемонии вручения премии». Нобелевский фонд . Получено 2 октября 2018 г.
^ Вигнер, EP (1927). «Über die Erhaltungssätze in der Quantenmechanik». Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen, Mathematich Physikalische Klasse . 1927 : 375–381;
• Перепечатано в Wightman, AS, ed. (1993). Собрание сочинений Юджина Пола Вигнера . Том. A. Springer . С. 84–90. doi :10.1007/978-3-662-02781-3_7. ISBN 978-3-642-08154-5.
^ abcde Хадсон, RP (2001). "Обращение закона сохранения четности в ядерной физике" (PDF) . В Лиде, DR (ред.). Столетие совершенства в измерениях, стандартах и технологиях . Специальная публикация NIST 958. Национальный институт стандартов и технологий . ISBN 978-0849312472.
^ Ли, ТД; Янг, КН (1956). «Вопрос сохранения четности в слабых взаимодействиях». Physical Review . 104 (1): 254–258. Bibcode :1956PhRv..104..254L. doi : 10.1103/PhysRev.104.254 .
^ Чианг, Цай-Чиен (2014). Мадам Цзянь-Шюн У: Первая леди физических исследований . World Scientific. стр. 136–137. ISBN 978-981-4374-84-2.
^ Wu, CS (1973). Maglich, B. (ред.). Adventures in Experimental Physics: Gamma Volume . Princeton: World Science Communications. стр. 101–123. ASIN B000ITLM9Q.
^ Ли, ТД (2006). «Новый взгляд на старые проблемы». arXiv : hep-ph/0605017 .
^ Wu, CS (2008). "Открытие нарушения четности в слабых взаимодействиях и его недавние разработки" (PDF) . Мемориальные лекции Нишины . Заметки лекций по физике . Том 746. Springer Science+Business Media . стр. 43–70. doi :10.1007/978-4-431-77056-5_4. ISBN 978-4-431-77055-8.
^ "Чиен-Шюн У — лауреат премии Вольфа по физике — 1978" (пресс-релиз). Фонд Вольфа . Получено 9 декабря 2019 г.
^ Чан 2014, стр. 146.
^ Чан 2014, стр. 147–149.
^ Boyd, S. (20 апреля 2016 г.). "Слабое взаимодействие" (PDF) . Warwick University . Получено 8 декабря 2019 г.
^ Вроблевски, АК (2008). «Падение паритета: революция, произошедшая пятьдесят лет назад» (PDF) . Acta Physica Polonica B. 39 ( 2): 251–264. Bibcode : 2008AcPPB..39..251W.
^ Эмблер, Э.; Грейс, МА; Халбан, Х.; Курти, Н.; Дюран, Х.; Джонсон, CE; Леммер, Х.Р. (1953). «Ядерная поляризация кобальта 60». Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал . 44 (349): 216–218. doi :10.1080/14786440208520296.
^ Гортер, К. Дж. (1948). «Новое предложение по выравниванию определенных атомных ядер». Physica . 14 (8): 504. Bibcode : 1948Phy....14..504G. doi : 10.1016/0031-8914(48)90004-4.
^ Роуз, М. Э. (1949). «О производстве ядерной поляризации». Physical Review . 75 (1): 213. Bibcode : 1949PhRv...75Q.213R. doi : 10.1103/PhysRev.75.213.
^ Зиино, Г. (2006). «Новая электрослабая формулировка, фундаментально объясняющая эффект, известный как «максимальное нарушение четности»". Международный журнал теоретической физики . 45 (11): 1993–2050. Bibcode : 2006IJTP...45.1993Z. doi : 10.1007/s10773-006-9168-2. S2CID 121004619.
^ Гарвин, Р. Л.; Ледерман, Л. М.; Вайнрих, М. (1957). «Наблюдения за нарушением сохранения четности и зарядового сопряжения в распадах мезонов: магнитный момент свободного мюона» (PDF) . Physical Review . 105 (4): 1415–1417. Bibcode :1957PhRv..105.1415G. doi : 10.1103/PhysRev.105.1415 .
^ Ambler, E.; Hayward, RW; Hoppes, DD; Hudson, RP; Wu, CS (1957). "Further Experiments on Decay of Polarized Nuclei" (PDF) . Physical Review . 106 (6): 1361–1363. Bibcode :1957PhRv..106.1361A. doi :10.1103/PhysRev.106.1361. Архивировано из оригинала (PDF) 2013-12-03 . Получено 2013-11-24 .
^ Гарднер, М. (2005). Новая вселенная для обеих рук: симметрия и асимметрия от зеркальных отражений до суперструн (3-е пересмотренное издание). Courier Corporation . стр. 215–218. ISBN 978-0-486-44244-0.
^ Ледерман, Л. М.; Хилл, КТ (2013). За пределами частицы Бога . Книги Прометея . С. 125–126. ISBN 978-1-61614-802-7.
^ Drewes, M. (2013). «Феноменология правосторонних нейтрино». International Journal of Modern Physics E. 22 ( 8): 1330019–593. arXiv : 1303.6912 . Bibcode : 2013IJMPE..2230019D. doi : 10.1142/S0218301313300191. S2CID 119161526.
^ Чо, Адриан (05.02.2021). «Почтовая марка в честь женщины-физика, которая, по мнению многих, должна была получить Нобелевскую премию». Science . doi :10.1126/science.abg9557. S2CID 234022248 . Получено 01.02.2021 .
^ Чан 2014, стр. 142.
^ Гарднер 2005, стр. 217.
^ «Цзянь-Сюн У не был удостоен Нобелевской премии».
^ «Цзянь-Сюн У, физик, который помог изменить мир». 2015-05-19.
^ "Антиматерия". 2021-03-01.
^ Саттон, Кристин (1998-07-20). «Нарушение CP».
^ "Нобелевская премия по физике 1957 года". Нобелевский фонд . Получено 24 марта 2015 г.
^ Гарднер 2005, стр. 218.

Дальнейшее чтение

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