Опыт Ву

Цзяньсюн Ву, в честь которой назван опыт Ву, спланировала опыт и возглавила группу исследователей, которая провела проверку сохранения четности в 1956 году.

Опыт Ву - эксперимент в области физики элементарных частиц и ядерной физики, проведенным в 1956 году китайским и американским физиком Цзяньсюн Ву в сотрудничестве с группой низких температур из Национального бюро стандартов США. Целью опыта было установить, сохраняется ли чётность (P- чётность), которая ранее была установлена для электромагнитных и сильных взаимодействий, а также в слабых взаимодействиях. Если P -чётность была бы истинной, то зеркальная версия мира (где левое заменяется на правое, а правое - на левое) будет вести себя как зеркальное отображение настоящего мира. Если P-чётность была бы нарушена, то можно было бы различать зеркальную версию мира и зеркальное отображение настоящего мира.

Пезультаты опыта показали, что сохранение чётности нарушается (P-нарушение) из-за слабого взаимодействия, что приводит к возможности оперативно определять левое и правое без привязки к человеческому телу. Этот результат не был ожидаемым в физическом сообществе, которое раньше считало чётность сохраняющейся величиной. Чжэндао Ли и Чжэньнин Янг, физики-теоретики, которые положили начало идее несохранения чётности и предложили этот эксперимент, получили за свою теоретическую работу Нобелевскую премию по физике 1957 года. Роль Опыт Ву - эксперимент в области физики элементарных частиц и ядерной физики, проведенным в 1956 году китайским и американским физиком Цзяньсюн Ву в сотрудничестве с группой низких температур из Национального бюро стандартов СШАЦзяньсюн Ву в открытии была упомянута в нобелевской речи, но не была отмечена до 1978 года, когда ей впервые присудили премию Вольфа.

История

В 1927 году Юджин Вигнер формализовал принцип сохранения четности ( P- чётности) - идею о том, что текущий мир и мир, построенный как его зеркальное отображение, будут вести себя одинаково, с той лишь разницей, что левое и правое будут перевернуты (например, часы, которые идут по часовой стрелке, будут вращаться против часовой стрелки, в зеркальном мире).

Этот принцип был широко принят физиками, а сохранение P-чётности экспериментально подтвердили 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 P- чётность сохраняется. Казалось, что существует два типа каонов: один распадается на два пиона, а другой - на три пиона. Это эффект получил название загадка τ – θ.

Физики -теоретики Чжэндао Ли и Чжэньнин Янг, физики-теоретики, которые положили начало идее несохранения чётности и предложили этот эксперимент, получили за свою теоретическую работу Нобелевскую премию по физике 1957 года.Чжэндао Ли и Чжэньнин ЯнгЧжэньнин Ян сделали обзор литературы по вопросу сохранения чётности во всех фундаментальных взаимодействиях. Они пришли к выводу, что в случае слабого взаимодействия экспериментальные данные не подтверждают и не опровергают сохранение P -чётности. Вскоре после этого они обратились к Цзяньсюн Ву, эксперту по спектроскопии бета-распада, с различными идеями для экспериментов. Они остановились на идее проверить направленность бета-распада в кобальте-60. Ву осознала потенциал революционного эксперимента и всерьез приступила к работе в конце мая 1956 года, отменив запланированную поездку в Женеву и на Дальний Восток со своим мужем, желая опередить остальное физическое сообщество. Большинство физиков, таких как её близкий друг Вольфганг Паули, считали это невозможным. Другие, такие как Ричард Фейнман, заключили пари 10 000 к 1 с физиком Норманом Рэмси, на то, что это нельзя опровергнуть, хотя позже договорился, узнав о разработках, на пятьдесят долларов - сумму, которую он позже заплатит Рэмси на Рочестерской конференции.

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 связалася с Эрнестом Амблером из Национального бюро стандартов, который организовал эксперимент, который должен был состояться в 1956 году в низкотемпературных лабораториях NBS. После нескольких месяцев работы и преодоления технических трудностей команда Ву наблюдала асимметрию, указывающую на нарушение четности в декабре 1956 года.

Ли и Ян, которые инициировали опыт Ву, были награждены Нобелевской премией по физике в 1957 году, вскоре после проведения эксперимента. Роль Ву в открытии была упомянута в речи о вручении премии, но не была отмечена до 1978 года, когда ей была присуждена первая премия Вольфа. Многие были возмущены, от её близкого друга Вольфганга Паули до Янга и Ли, а лауреат Нобелевской премии 1988 года Джек Штайнбергер назвал это самой большой ошибкой в истории Нобелевского комитета.

Теория

Если конкретное взаимодействие сохраняет симметрию чётности, то это означает, что если поменять местами левое и правое, то взаимодействие будет вести себя точно так же, как и до обмена. Другими словами - можно представить, что сконструированы два мира, различающиеся только чётностью - «реальный» мир и «зеркальный» мир, где левое и правое меняются местами. Если взаимодействие симметрично по отношению к чётности, то оно даёт одинаковые результаты в обоих «мирах».

Цель эксперимента Ву состояла в том, чтобы определить сохранение или нарушение P-чётности в слабом взаимодействии, исследовав направление продуктов распада кобальта-60. Если распад происходил бы в выделенном напралении, то это означало бы нарушение чётности, потому что, если бы слабое взаимодействие сохраняло чётность, то продукты распада должны испускаться равновероятно во всех направлениях. Как утверждают Ву и др .:

Причина этого щаключается в том, что ядро кобальта-60 обладает спином, а спин не меняет своего направления при замене чётности, поскольку угловой момент - это аксиальный вектор. С другой стороны , направление, в котором продукты распада испускаются зависит от чётности, поскольку импульс - это полярный вектор. Другими словами, в «реальном» мире, если бы ядерный спин кобальта-60 и испускание продуктов распада оказались бы примерно в одном направлении, то в «зеркальном» мире они были бы примерно в противоположных направлениях, потому что направление испускания продуктов распада бы изменилось, но направление вращения - нет.

Что окажется явным различием в поведении слабого взаимодействия в обоих «мирах», и, следовательно, слабое взаимодействие нельзя будет назвать симметричным относительно чётности. Единственный способ, которым слабое взаимодействие могло бы оказаться симметричным по чётности, - это если бы не было предпочтения в направлении испускания, потому что тогда изменение направления в «зеркальном» мире не выглядело бы иначе, чем в «реальном» мире, потому что там в любом случае было равное количество испущенных продуктов распада в обоих направлениях.

Эксперимент

Опыт Ву, проведенный в лаборатории низких температур Бюро стандартов, Вашингтон, округ Колумбия, в 1956 году. Вертикальная вакуумная камера, содержащая кобальт-60, детекторы и катушку индуктивности, помещается в сосуд Дьюара перед тем, как вставить в большой электромагнит на заднем плане, который охладит радиоизотоп до близкой к абсолютному нулю температуры за счет адиабатического размагничивания.

В эксперименте отслеживался распад атомов кобальта-60 (⁶⁰Co), спины которые были выровнены однородным магнитным полем (поляризационным полем) и охлаждались почти до абсолютного нуля, так что тепловые флуктуции не нарушали выравнивание. Кобальт-60 представляет собой нестабильный изотоп кобальта, который распадается в результате бета-распада до стабильного изотопа никель-60 (⁶⁰Ni). Во время этого распада один из нейтронов в ядре кобальта-60 распадается на протон, испуская электрон (e⁻) и электронное антинейтрино (ν_e). Образовавшееся ядро никеля, однако, находится в возбужденном состоянии и быстро переходит в своё основное состояние, испуская два гамма-излучения (γ). Отсюда общее уравнение ядерной реакции:

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

Гамма-лучи - это фотоны, поэтому их излучение ядром никеля-60 представляет собой электромагнитный (ЭМ) процесс. Это важно, потому что известно, что электромагнитные процессы подчиняются сохранению четности, и поэтому они будут излучаются примерно одинаково во всех направлениях, то есть их распределение примерно «изотропно». Следовательно, распределение испускаемых электронов можно сравнить с распределением испускаемых гамма-лучей, чтобы сравнить, испускаются ли они также изотропно. Другими словами, распределение гамма-лучей служило контрольным экспериментом для сравнения с распределением испускаемых электронов. Еще одно преимущество испускаемых гамма-лучей заключалось в знании степени, в которой они не были распределены идеально равномерно во всех направлениях («анизотропия» их распределения), и их можно было использовать для определения того, насколько хорошо были выровнены спины ядер кобальта-60. Если бы ядра кобальта-60 вообще не были выровнены, то независимо от распределения электронной эмиссии, эксперимент не обнаружил бы анизотропию. Это связано с произвольной ориентацией ядер, и, в этом случае, эмиссия электронов будет случайной, и эксперимент обнаружит равное количество электронов во всех направлениях, даже если они испускаются каждым отдельным ядром только в одном направлении.

Затем в опыте подсчитывалась скорость излучения гамма-квантов и электронов в двух различных направлениях и сравнились их значения. Эта скорость измерялась во времени и с поляризующим полем, ориентированным в противоположных направлениях. Если бы скорости счета электронов не отличались существенно от таковых для гамма-лучей, тогда это было бы свидетельством сохранения P-чётности за счет слабого взаимодействия. Если, однако, скорости счета существенно различаются, тогда появятся веские доказательства того, что в слабом взаимодействии P-четность действительно нарушается.

Материалы и методы

Схема опыта Ву.

Задача этого эксперимента состояла в том, чтобы получить максимально возможную поляризацию ядер ⁶⁰Со. 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 бы достичь одним охлаждением жидким гелием. Низкие температуры были достигнуты методом 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 намагничивалась вдоль оси обладающей большим g-фактором, а температура снижалась до 1,2 K путем откачки паров гелия до низкого давления. Отключение горизонтального магнитного поля привело к снижению температуры примерно до 0,003 K. Горизонтальный магнит был открытым, давая место для вертикального соленоида, который можно было ввести и включить, чтобы выровнять магниные моменты ядер кобальта вверх или вниз. Лишь незначительное повышение температуры было вызвано магнитным полем соленоида, так как ориентация магнитного поля соленоида была в направлении низкого g-фактора. Этот метод достижения высокой поляризации ядер ⁶⁰Co был изобретен Гортером и Роузом.

Детектирование гамма-лучей контролировалось с помощью экваториальных и полярных счетчиков используемых в качестве меры поляризации. Поляризация гамма-излучения непрерывно отслеживалась в течение следующих 15 минут по мере того, как кристалл нагревался и анизотропия пропадала. Аналогичным образом, во время периода разогрева непрерывно отслеживалось бета-излучение.

Полученные результаты

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

В опыте, проведенном Ву, анизотропия гамма-излучения составляла примерно 0,6. То есть примерно 60% гамма-лучей излучались в одном направлении, а 40% - в другом^{[уточнить]}. Если бы четность сохранялась при бета-распаде, испускаемые электроны не имели бы предпочтительного направления распада относительно ядерного спина, и асимметрия в направлении испускания была бы близка к значению для гамма-лучей. Однако Ву заметила, что электроны испускались в направлении, предпочтительно противоположном направлению гамма-лучей, с асимметрией, значительно превышающей значение анизотропии гамма-лучей. То есть большинство электронов имели очень специфическое направление распада, прямо противоположное ядерному спину. Наблюдаемая электронная асимметрия также не меняла знак при изменении поляризующего поля на противоположное, что означает, что асимметрия не была вызвана остаточной намагниченностью в образцах. Позже было установлено, что нарушение четности было максимальным.

Результаты очень удивили физическое сообщество. Затем несколько исследователей попытались воспроизвести результаты группы Ву в то время как другие отреагировали на результаты с недоверием. Вольфганг Паули, получив сообщение от Жоржа М. Теммера, который также работал в NBS, что сохранение четности больше не может считаться истинным во всех случаях, воскликнул: «Это полная чепуха!» Теммер заверил его, что результат эксперимента подтвердил, что это так, на что Паули коротко ответил: «Тогда это нужно повторить!». К концу 1957 года дальнейшие исследования подтвердили первоначальные результаты группы Ву, и нарушение P- чётности было твердо установлено.

Механизм и последствия

Диаграмма Фейнмана дляβ−
распада нейтрона на протон, электрон и электронный антинейтрино через промежуточный W−
бозон.

Результаты опыта Ву позволяют оперативно определить понятия левого и правого. Это заложено в природе слабого взаимодействия. Раньше, если бы ученые на Земле общались с ученым на недавно открытой планете, и они никогда не встречались бы лично, каждая группа не могла бы однозначно определить левую и правую стороны другой группы. С помощью эксперимента Ву можно сообщить другой группе, что слова «левый» и «правый» ороеделены точно и недвусмысленно. Эксперимент Ву наконец решил проблему Озмы, которая заключается в том, чтобы дать однозначное определение левого и правого с научной точки зрения.

На фундаментальном уровне (как показано на диаграмме Фейнмана справа) бета-распад вызывается преобразованием отрицательно заряженных ( −1/3 e кварков посредством эмиссии W- бозона с последующим распадом на электрон и антинейтрино как в реакции

d → u + + ν
e.

Кварк обладает левой (отрицательная хиральность) и правой (положительная хиральность) частью. Когда он движется в пространстве-времени, он колеблется назад и вперед переходя от правой части к левой части и наоборот - от левой части к правой части. Из анализа демонстрации нарушения P-четности в опыте Ву можно сделать вывод, что только левая часть нижних кварков распадается, а слабое взаимодействие включает только левую часть кварков и лептонов (или правую часть антикварков и антилептонов). Правая часть частицы просто не учавствует в слабом взаимодействии. Если бы нижний кварк не имел массы, то он бы не колебался, а его правая часть была бы сама по себе достаточно стабильной. Тем не менее, поскольку нижний кварк массивен, он колеблется и распадается.

В целом, как $J_{\text{Co}}=5$ сильное магнитное поле вертикально поляризует </br> </br> 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 указала на превалировании левых кварков и электронов.

Из таких экспериментов, как опыт Ву и опыт Голдхабера, было показано, что безмассовые нейтрино должны быть левыми, а безмассовые антинейтрино должны быть правыми. Поскольку в настоящее время известно, что нейтрино имеют небольшую массу, было высказано предположение, что правые нейтрино и левые антинейтрино могут существовать. Эти нейтрино не будут взаимодействовать с лагранжианом слабого взаимодействия и будут взаимодействовать только гравитационно, возможно, образуя часть темной материи во Вселенной.

Влияние

Это открытие заложило основу для разработки стандартной модели, поскольку модель основывалась на идее симметрии частиц, сил и того, как частицы иногда могут нарушать эту симметрию . Широкое освещение её открытия побудило первооткрывателя деления Отто Роберта Фриша упомянуть, что люди в Принстоне часто говорили, что ее открытие было самым значительным со времен опыта Майкельсона, который вдохновил Эйнштейна на теорию относительности. В то время как AAUW назвал это решением самой большой загадки науки. Помимо демонстрации отличительной характеристики слабого взаимодействия от трёх других обычных сил взаимодействия, это в конечном итоге привело к общему CP-нарушению или нарушению симметрии зарядового сопряжения. Это нарушение означало, что исследователи могли отличить материю от антивещества и найти решение, которое объяснило бы существование Вселенной как токовой, которая заполнена только материей. Это связано с тем, что отсутствие симметрии дало возможность существования дисбаланса материи и антивещества, который позволил бы материи существовать сегодня из-за Большого взрыва. В знак признания их теоретической работы Ли и Ян были удостоены Нобелевской премии по физике в 1957 году. Чтобы процитировать его влияние, 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 были описаны одноглазые гиганты, и [предоставил бы] мне их полный список; но они всегда щеголяют своим одиноким глазом посередине лба. На мой взгляд, мы обнаружили, что космос - слабый левоглазый гигант».

Открытие Ву проложило бы путь к объединенной электрослабой силе, доказанной Саламом, которая теоретически описывается как слияние с сильной силой, чтобы создать совершенно новую модель и Теорию Великого Объединения, которая, в свою очередь, может сливаться с гравитацией, чтобы стать Теория всего.