Experiment Wu je experiment v částicové fyzice a jaderné fyzice provedený v roce 1956 čínským a americkým fyzikem Jianxiong Wu ve spolupráci s Low Temperature Laboratory amerického Národního úřadu pro standardy [1] [2] . Účelem experimentu bylo zjistit, zda je parita ( P -parita [3] ), která byla dříve stanovena v elektromagnetických a silných interakcích , zachována i pro slabou interakci , či nikoli. Pokud by P - parita byla skutečnou konzervovanou veličinou, pak by se zrcadlová verze světa (kde levá je nahrazena pravou a pravá levou) chovala jako zrcadlový obraz skutečného světa. Pokud by byla porušena P -parita, pak by bylo možné rozlišovat mezi zrcadlovou verzí světa a zrcadlovým obrazem skutečného světa. Experiment spočíval v pozorování rozložení směrů emise elektronů z jader kobaltu-60 během beta rozpadu za podmínek velmi nízké teploty a silného magnetického pole. Odhalila asymetrii v distribuci beta částic emitovaných ze zdroje záření.
Výsledky experimentu ukázaly, že zachování prostorové parity je narušeno kvůli slabé interakci, což vede k možnosti rychle určit levou a pravou bez odkazu na makro objekty reálného světa. Tento výsledek nebyl očekáván ve fyzikální komunitě, která považovala paritu za konzervovanou veličinu . Zhengdao Li a Zhenning Yang , teoretičtí fyzici, kteří propagovali myšlenku nekonzervace parity a navrhli tento experiment, obdrželi v roce 1957 Nobelovu cenu za fyziku za svou teoretickou práci . Role Wu Jianxiong v objevu byla zmíněna v Nobelově řeči [4] , ale nebyla zaznamenána až do roku 1978, kdy byla poprvé oceněna Wolfovou cenou .
V roce 1927 Eugene Wigner formalizoval princip zachování parity ( P -parita) [5] – myšlenku, že skutečný svět a svět vybudovaný jako jeho zrcadlový obraz se budou chovat stejně, jen s tím rozdílem, že levá a pravá strana budou vzhůru nohama (například hodiny, které jdou po směru hodinových ručiček, se v zrcadlovém světě budou otáčet proti směru hodinových ručiček).
Tento princip byl fyziky široce přijímán a zachování P -parity bylo experimentálně potvrzeno v elektromagnetických a silných interakcích . V polovině 50. let však některé rozpady zahrnující kaony nemohly být vysvětleny existujícími teoriemi, které předpokládaly, že P -parita byla zachována. Zdálo se, že existují dva druhy kaonů, jeden se rozpadá na dva piony a druhý na tři piony. Tento efekt se nazývá τ-θ-paradox [6] [7] .
Zhengdao Li a Zhenning Yang byli průkopníky myšlenky nezachování parity. Prozkoumali literaturu k problematice zachování parity ve všech fundamentálních interakcích a došli k závěru, že v případě slabé interakce experimentální data nepotvrzují ani nevyvracejí přítomnost P - symetrie [8] [9] . Brzy poté se obrátili na Jianxiong Wu, odborníka na spektroskopii beta rozpadu , s různými nápady na experimenty. Usadili se na myšlence otestovat směrovost beta rozpadu v kobaltu-60 . Wu rozpoznala potenciál revolučního experimentu, a protože chtěla být napřed před zbytkem fyzikální komunity, začala koncem května 1956 pracovat a zrušila plánovanou cestu do Ženevy a na Dálný východ se svým manželem. Většina fyziků, včetně jejího blízkého přítele Wolfganga Pauliho , to považovala za nemožné [10] . Další slavný vědec, Richard Feynman , se vsadil 10 000 ku 1 s fyzikem Normanem Ramsayem , že experiment selže; když se dozvěděl o jeho výsledcích, vyjednal padesát dolarů, částku, kterou později zaplatil Ramsaymu na konferenci v Rochesteru [11] [12] .
Wu musel kontaktovat Henryho Burse a Marka Zemanského , kteří měli rozsáhlé zkušenosti s fyzikou nízkých teplot , aby provedli svůj experiment. Na žádost Burse a Zemanského Wu kontaktoval Ernesta Amblera z National Bureau of Standards , aby pomohl zorganizovat experiment, který se měl konat v roce 1956 v Low Temperature Laboratory of National Bureau of Standards [6] . V prosinci 1956, po několika měsících práce a překonání technických potíží, Wuův tým našel asymetrii indikující porušení parity [13] .
Li a Yang, kteří iniciovali experiment Wu, byli za svou teoretickou práci krátce po experimentu oceněni v roce 1957 Nobelovou cenou za fyziku . Wuova role v objevu byla zmíněna v projevu při předávání cen [4] . Wolfgang Pauli, Young, Lee a mnozí další vědci byli tímto rozhodnutím Nobelova výboru pobouřeni a nositel Nobelovy ceny z roku 1988 Jack Steinberger to označil za největší chybu v historii Nobelovy komise [14] . V roce 1978 Wu získal první Wolfovu cenu [15] .
Pokud určitá interakce zachovává P -symetrii, pak to znamená, že pokud dojde k záměně vlevo a vpravo, bude se interakce chovat úplně stejně jako před výměnou. Jinými slovy, lze si představit, že jsou konstruovány dva světy, které se liší pouze paritou – „skutečný“ svět a „zrcadlový“ svět, kde je levá a pravá strana obrácená. Pokud je interakce symetrická vzhledem k prostorové paritě, pak vede ke stejným výsledkům v obou „světech“ [1] .
Účelem Wuova experimentu bylo určit, zda je P -parita zachována nebo porušena při slabé interakci zkoumáním směru pohybu produktů rozpadu kobaltu-60. Pokud by rozpad probíhal preferovaným směrem, pak by to znamenalo porušení parity, protože pokud by slabá síla zachovala paritu, pak by produkty rozpadu měly být emitovány se stejnou pravděpodobností ve všech směrech. Jak napsal Wu et al [1] :
Pokud existuje asymetrie v distribuci mezi θ a 180°−θ (kde θ je úhel mezi orientací mateřských jader a hybností elektronů), poskytuje to jednoznačný důkaz, že parita není při rozpadu beta zachována.
Původní text (anglicky)[ zobrazitskrýt] Pokud je pozorována asymetrie v distribuci mezi θ a 180° − θ (kde θ je úhel mezi orientací mateřských jader a hybností elektronů), poskytuje to jednoznačný důkaz, že parita není při rozpadu beta zachována.Důvodem je to, že jádro kobaltu-60 má rotaci a rotace nemění svůj směr při změně parity, protože moment hybnosti je axiální vektor . Na druhé straně, směr, kterým se produkty rozpadu odlétají, závisí na paritě, protože hybnost je polární vektor . Jinými slovy, pokud by v „reálném“ světě jaderný spin kobaltu-60 a expanze produktů rozpadu byly přibližně ve stejném směru, pak by v „zrcadlovém“ světě byly přibližně v opačných směrech, protože směr expanze produktů rozpadu by se změnila a směr rotace - ne [16] .
To ukáže jasný rozdíl v chování slabé interakce v obou "světech", a proto nelze slabou interakci nazvat symetrickou s ohledem na paritu. Jediný způsob, jak by se slabá síla mohla ukázat jako paritně symetrická, bylo, kdyby neexistovala preference ve směru výsledných částic, protože pak by změna směru v „zrcadlovém“ světě nevypadala jinak než ve „skutečném“ světě. , protože tam v každém případě bylo stejné množství rozptýlených produktů rozpadu v obou směrech [16] .
Experiment sledoval rozpad atomů kobaltu-60 ( 60 Co), jejichž spiny byly vyrovnány rovnoměrným magnetickým polem (polarizační pole) a ochlazeny téměř na absolutní nulu , takže tepelné fluktuace nenarušily vyrovnání spinů [17] . Kobalt-60 je nestabilní izotop kobaltu , který se rozpadá prostřednictvím beta rozpadu na stabilní izotop nikl-60 ( 60Ni ). Během tohoto rozpadu se jeden z neutronů v jádře kobaltu-60 rozpadá na proton , emitující elektron (e − ) a elektronové antineutrino ( ν e ). Výsledné niklové jádro je však v excitovaném stavu a rychle přechází do základního stavu, přičemž emituje dvě kvanta gama záření (γ). Proto obecná rovnice pro jadernou reakci:
Gama paprsky jsou fotony, takže jejich emise z jádra niklu-60 je elektromagnetický proces. To je důležité, protože je známo, že elektromagnetické procesy zachovávají paritu, a proto vyzařují přibližně stejně do všech směrů, to znamená, že jejich rozložení je přibližně "izotropní". Proto lze distribuci emitovaných elektronů porovnat s distribucí emitovaných gama paprsků, aby se zjistilo, zda jsou také emitovány izotropně. Jinými slovy, rozložení gama záření sloužilo jako kontrolní experiment pro srovnání s rozložením emitovaných elektronů. Další výhodou emitovaných gama paprsků byla znalost, do jaké míry nebyly distribuovány dokonale rovnoměrně ve všech směrech ("anizotropie" jejich distribuce), a bylo možné je použít k určení stupně zarovnání jaderných spinů kobaltu- 60. Pokud by jádra kobaltu-60 nebyla vůbec zarovnaná, pak by bez ohledu na distribuci emise elektronů experiment neodhalil anizotropii. To je způsobeno libovolnou orientací jader, v tomto případě bude emise elektronů náhodná a experiment detekuje stejný počet elektronů ve všech směrech, i když jsou emitovány každým jednotlivým jádrem pouze v jednom směru [ 18] .
Poté byla v experimentu vypočtena rychlost emise gama kvant a elektronů ve dvou různých směrech a jejich hodnoty byly porovnány. Tato rychlost byla měřena jako funkce času a polarizačního pole orientovaného v opačných směrech. Pokud by se četnost počtu elektronů významně nelišila od četnosti pro gama záření, pak by to byl důkaz zachování P -parity kvůli slabé interakci. Pokud se však četnosti počtu výrazně liší, pak bude existovat silný důkaz, že P -parita je ve slabé interakci skutečně porušena [1] [7] .
Cílem tohoto experimentu bylo získat maximální možnou polarizaci 60Co jader . Vzhledem k velmi malým magnetickým momentům jader ve srovnání s elektrony bylo zapotřebí silných magnetických polí při extrémně nízkých teplotách, mnohem nižších, než by bylo možné dosáhnout chlazením samotným kapalným heliem. Nízkých teplot bylo dosaženo metodou adiabatické demagnetizace . Radioaktivní kobalt byl deponován jako tenká povrchová vrstva na krystalu dusičnanu ceričito-hořečnatého, paramagnetické soli s vysoce anizotropním Lande g-faktorem [1] [2] .
Sůl byla magnetizována podél osy, která měla velký g-faktor, a teplota byla snížena na 1,2 K pumpováním héliových par na nízký tlak. Vypnutí horizontálního magnetického pole snížilo teplotu na asi 0,003 K. Horizontální magnet byl otevřený, což umožnilo místo pro vertikální solenoid, který by mohl být vložen a zapnut, aby se vyrovnaly nahoru nebo dolů magnetické momenty kobaltových jader [2] . Magnetické pole solenoidu jen mírně zvýšilo teplotu, protože orientace magnetického pole solenoidu byla ve směru nízkého g-faktoru. Tento způsob dosažení vysoké polarizace jader 60Co vynalezli Gorter [19] a Rose [20] .
Detekce gama záření byla řízena pomocí ekvatoriálních a polárních čítačů používaných k měření polarizace. Polarizace gama záření byla nepřetržitě monitorována dalších 15 minut, jak se krystal zahříval a anizotropie mizela. Podobně bylo během zahřívací periody nepřetržitě monitorováno beta záření [1] .
V experimentu, který provedl Wu, byla pozorována anizotropie záření gama, stejně jako anizotropie záření beta, dokud se systém nezahřál (asi 6 minut), kdy obě anizotropie zmizely. Pokud by byla během beta rozpadu zachována parita, pak by emitované elektrony neměly preferovaný směr rozpadu vzhledem k orientaci jaderného spinu a asymetrie ve směru expanze by se blížila hodnotě pro gama záření. Wu si však všiml, že elektrony byly emitovány ve směru, který byl přednostně opačný než směr paprsků gama, to znamená, že měl záporné znaménko. To znamená, že většina elektronů měla velmi specifický směr expanze, přímo opačný k jadernému spinu [21] . Pozorovaná elektronická asymetrie také nezměnila znaménko při obráceném polarizačním poli, což znamená, že asymetrie nebyla způsobena remanentní magnetizací ve vzorcích. Později bylo zjištěno, že porušení parity bylo maximální [6] [22] .
Výsledky velmi překvapily fyzikální komunitu. Několik výzkumníků se poté pokusilo zopakovat výsledky Wuovy skupiny [23] [24] , zatímco jiní na výsledky reagovali s nedůvěrou. Wolfgang Pauli , který obdržel zprávu od Georgese M. Temmera , který také pracoval v Národním úřadu pro standardy, že zachování parity již nemůže být považováno za pravdivé ve všech případech, zvolal: "To je úplný nesmysl!". Temmer ho ujistil, že výsledek experimentu potvrdil, že tomu tak je, na což Pauli stroze odpověděl: "Tak to se musí opakovat!" [6] . Koncem roku 1957 další výzkum potvrdil původní výsledky Wuovy skupiny a porušení P - parity bylo pevně stanoveno [23] .
Výsledky Wuova experimentu nám umožňují rychle definovat pojmy levice a pravice. Tento rozdíl je vlastní povaze slabé interakce. Pokud dříve vědci na Zemi komunikovali s vědci na nově objevené planetě a nikdy se osobně nesetkali, nemohla každá skupina jednoznačně identifikovat levou a pravou stranu druhé skupiny. Wuův experiment může druhé skupině říci, že slova „vlevo“ a „vpravo“ jsou definována přesně a jednoznačně. Wuův experiment nakonec vyřešil Ozmův problém , který má dát jednoznačnou definici levice a pravice z vědeckého hlediska [25] .
Na základní úrovni (jak ukazuje Feynmanův diagram vpravo) je beta rozpad způsoben přeměnou záporně nabitých ( −jeden3 e ) kvarky prostřednictvím emise W-bosonu s jeho následným rozpadem na elektron a antineutrino:
d → u + e − + vKvark má levou (negativní chiralita) a pravou (pozitivní chiralitu) část. Jak se pohybuje časoprostorem, osciluje mezi těmito stavy, jde zprava doleva a naopak. Z analýzy demonstrací porušení P -parity ve Wuově experimentu můžeme usoudit, že se rozpadají pouze levé kvarky a pouze levé kvarky a leptony (nebo pravé antikvarky a antileptony) se účastní slabé interakce. Správné částice se prostě neúčastní slabé interakce. Pokud by kvark down neměl žádnou hmotnost, pak by nekmital a jeho pravotočivý stav by byl sám o sobě poměrně stabilní. Jelikož je však down kvark masivní, osciluje a rozpadá se [26] .
Obecně, protože (v atomových jednotkách , P znamená paritu), pak se silné magnetické pole vertikálně polarizuje 60
27Co jsou jádra takovým způsobem, že . Vzhledem k tomu, že rozpad také zachovává moment hybnosti , vyplývá z [27] . Koncentrace beta paprsků v záporném směru z tedy indikovala výskyt levých kvarků a elektronů. Z experimentů jako Wu experiment a Goldhaberův experiment se ukázalo, že bezhmotná neutrina musí být levotočivá a bezhmotná antineutrina musí být pravotočivá [28] . Protože je nyní známo, že neutrina mají nízkou hmotnost, bylo navrženo, že mohou existovat také pravotočivá neutrina a levotočivá antineutrina. Tato neutrina nebudou interagovat se slabou interakcí Lagrangian a budou se účastnit pouze gravitační interakce, možná tvoří součást temné hmoty ve vesmíru [29] .
Wuův objev položil základy pro vývoj standardního modelu , protože model byl založen na myšlence symetrie částic, sil a toho, jak částice někdy mohou tuto symetrii narušit [30] [31] . Široké pokrytí tohoto objevu přimělo průkopníka atomového rozpadu Otto Roberta Frische , aby zmínil, že lidé z Princetonu často říkali, že Wuův objev byl nejvýznamnější od Michelsonova experimentu , který inspiroval Einsteinovu teorii relativity [32] , zatímco americká asociace AAUW nazval tento objev řešením největší hádanky jaderné fyziky [33] . Kromě prokázání rozlišovací charakteristiky slabé síly od ostatních tří základních sil interakce, další výzkum nakonec vedl k obecnému porušení CP nebo porušení symetrie konjugace náboje [34] . Toto porušení znamenalo, že vědci mohli rozlišit hmotu od antihmoty a najít řešení, které by vysvětlilo, proč je vesmír naplněn pouze hmotou a nikoli antihmotou [35] . Je to proto, že nedostatek symetrie by umožnil existenci nerovnováhy hmoty a antihmoty , což by umožnilo existenci hmoty dnes kvůli velkému třesku [36] . Lee a Yang byli oceněni Nobelovou cenou za fyziku v roce 1957 jako uznání jejich teoretické práce [37] . Abdus Salam se zeptal svého kolegy, který studuje klasickou literaturu [32] :
Existuje nějaký starověký spisovatel, který někdy považoval obry pouze levým okem? Přiznal se, že byli popsáni jednookí obři, a poskytl mi jejich úplný seznam; ale vždy [jako Kyklopové <..>] chlubí svým osamělým okem uprostřed čela. Zjistili jsme, že svět je slabý obr s levým okem.“
Původní text (anglicky)[ zobrazitskrýt] Pokud by někdy nějaký klasický spisovatel uvažoval o obrech pouze s levým okem. Přiznal se, že byli popsáni jednookí obři, a poskytl mi jejich úplný seznam; ale vždy [jako Kyklopové <..>] mají své osamělé oko uprostřed čela. Zjistili jsme, že vesmír je slabý levooký obr.