Wu -kokeilu on hiukkasfysiikan ja ydinfysiikan koe, jonka kiinalainen ja amerikkalainen fyysikko Jianxiong Wu suoritti vuonna 1956 yhteistyössä Yhdysvaltain kansallisen standarditoimiston matalan lämpötilan laboratorion kanssa [1] [2] . Kokeen tarkoituksena oli selvittää, säilyykö pariteetti ( P -pariteetti [3] ), joka oli aiemmin todettu sähkömagneettisessa ja vahvassa vuorovaikutuksessa myös heikolle vuorovaikutukselle vai ei. Jos P -pariteetti olisi todellinen säilynyt suure, niin maailman peiliversio (jossa vasen korvataan oikealla ja oikea vasemmalla) käyttäytyisi kuin todellisen maailman peilikuva. Jos P -pariteetti rikottaisiin, olisi mahdollista erottaa maailman peiliversio ja todellisen maailman peilikuva. Kokeessa tarkkailtiin koboltti-60-ytimien elektronien emissiosuuntien jakautumista beeta-hajoamisen aikana erittäin alhaisen lämpötilan ja voimakkaan magneettikentän olosuhteissa. Se paljasti epäsymmetrian säteilylähteen lähettämien beetahiukkasten jakautumisessa.
Kokeen tulokset osoittivat, että heikko vuorovaikutus rikkoo tilapariteetin säilymistä, mikä johtaa kykyyn määrittää nopeasti vasen ja oikea viittaamatta todellisen maailman makroobjekteihin. Tätä tulosta ei odotettu fysiikan yhteisössä, joka piti pariteettia säilyneenä suurena . Zhengdao Li ja Zhenning Yang , teoreettiset fyysikot, jotka olivat edelläkävijöitä pariteetin säilyttämättömyyden ideana ja ehdottivat tätä kokeilua, saivat vuoden 1957 fysiikan Nobel-palkinnon teoreettisesta työstään . Wu Jianxiongin rooli löydössä mainittiin Nobel-puheessa [4] , mutta se huomioitiin vasta vuonna 1978, jolloin hänelle myönnettiin ensimmäisen kerran Wolf-palkinto .
Vuonna 1927 Eugene Wigner virallisti pariteetin säilyttämisen periaatteen ( P -pariteetti) [5] - ajatuksen siitä, että todellinen maailma ja sen peilikuvaksi rakennettu maailma käyttäytyvät samalla tavalla, sillä ainoalla erolla, että vasen ja oikea ovat ylösalaisin (esimerkiksi myötäpäivään pyörivä kello pyörii vastapäivään peilimaailmassa).
Fyysikot ovat hyväksyneet tämän periaatteen laajalti, ja P -pariteetin säilyminen on kokeellisesti vahvistettu sähkömagneettisissa ja vahvoissa vuorovaikutuksissa . Kuitenkin 1950-luvun puolivälissä joitain kaonien hajoamista ei voitu selittää olemassa olevilla teorioilla, jotka olettivat P -pariteetin säilyneen. Näytti olevan kahdenlaisia kaoneja, joista toinen hajoaa kahdeksi pioniksi ja toinen kolmeksi pioniksi. Tätä vaikutusta kutsutaan τ-θ-paradoksiksi [6] [7] .
Zhengdao Li ja Zhenning Yang olivat edelläkävijöitä pariteetin säilyttämättömyyden ideana. He tarkastelivat kirjallisuutta pariteetin säilymisestä kaikissa perusvuorovaikutuksissa ja tulivat siihen tulokseen, että heikon vuorovaikutuksen tapauksessa kokeelliset tiedot eivät vahvista tai kiistä P - symmetrian olemassaoloa [8] [9] . Pian sen jälkeen he ottivat yhteyttä Jianxiong Wun, beeta-hajoamisspektroskopian asiantuntijan puoleen, tarjoten erilaisia ideoita kokeisiin. He päätyivät ajatukseen testata beetahajoamisen suuntaa koboltti-60 :ssä . Wu ymmärsi vallankumouksellisen kokeen potentiaalin ja haluten olla muiden fysiikan yhteisön edellä, aloitti työt toukokuun lopulla 1956 peruen aviomiehensä kanssa suunnitellun matkan Geneveen ja Kaukoitään . Useimmat fyysikot, mukaan lukien hänen läheinen ystävänsä Wolfgang Pauli , pitivät tätä mahdottomana [10] . Toinen kuuluisa tiedemies, Richard Feynman , lyö 10 000:1 vedon fyysikko Norman Ramsayn kanssa , että koe epäonnistuu; saatuaan tiedon sen tuloksista, hän neuvotteli viisikymmentä dollaria, summan, jonka hän myöhemmin maksaisi Ramsaylle Rochesterin konferenssissa [11] [12] .
Wu joutui ottamaan yhteyttä Henry Bursiin ja Mark Zemanskyyn , joilla oli laaja kokemus matalan lämpötilan fysiikasta suorittaakseen kokeensa. Bursin ja Zemanskyn pyynnöstä Wu otti yhteyttä Ernest Ambleriin National Bureau of Standardsista auttaakseen järjestämään kokeen, joka oli määrä tapahtua vuonna 1956 National Bureau of Standards -toimiston matalan lämpötilan laboratoriossa [6] . Joulukuussa 1956 useiden kuukausien työn ja teknisten vaikeuksien voittamisen jälkeen Wun tiimi havaitsi epäsymmetrian, joka osoitti pariteettirikkomusta [13] .
Li ja Yang, jotka aloittivat Wu-kokeen, saivat Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 1957 teoreettisesta työstään pian kokeen jälkeen. Wun rooli löydössä mainittiin palkintoseremoniassa pitämässään puheessa [4] . Wolfgang Pauli, Young, Lee ja monet muut tiedemiehet olivat järkyttyneitä tästä Nobel-komitean päätöksestä, ja vuoden 1988 Nobel-palkinnon voittaja Jack Steinberger kutsui sitä Nobel-komitean historian suurimmaksi virheeksi [14] . Vuonna 1978 Wu sai ensimmäisen Wolf-palkinnon [15] .
Jos tietty vuorovaikutus säilyttää P -symmetrian, tämä tarkoittaa, että jos vasen ja oikea vaihdetaan, vuorovaikutus käyttäytyy täsmälleen samalla tavalla kuin ennen vaihtoa. Toisin sanoen voidaan kuvitella, että rakennetaan kaksi maailmaa, jotka eroavat toisistaan vain pariteetin suhteen - "todellinen" maailma ja "peilimaailma", jossa vasen ja oikea ovat päinvastaisia. Jos vuorovaikutus on symmetrinen tilapariteetin suhteen, se johtaa samoihin tuloksiin molemmissa "maailmoissa" [1] .
Wun kokeen tarkoituksena oli selvittää, onko P -pariteetti säilynyt tai katkennut heikon vuorovaikutuksen aikana tutkimalla koboltti-60:n hajoamistuotteiden liikesuuntaa. Jos hajoaminen etenisi haluttuun suuntaan, tämä merkitsisi pariteetin rikkomista, koska jos heikko voima säilyttää pariteetin, hajoamistuotteet tulisi emittoida yhtä suurella todennäköisyydellä kaikkiin suuntiin. Kuten Wu et al kirjoitti [1] :
Jos θ:n ja 180°−θ:n jakaumassa on epäsymmetria (jossa θ on lähtöytimien orientaation ja elektronien liikemäärän välinen kulma), tämä antaa yksiselitteisen todisteen siitä, että pariteetti ei säily beeta-hajoamisessa.
Alkuperäinen teksti (englanniksi)[ näytäpiilottaa] Jos havaitaan epäsymmetria jakaumassa θ ja 180° − θ välillä (jossa θ on lähtöytimien orientaation ja elektronien liikemäärän välinen kulma), se tarjoaa yksiselitteisen todisteen siitä, että pariteetti ei säily beeta-hajoamisessa.Syynä tähän on se, että koboltti-60-ytimessä on spin ja spin ei muuta suuntaaan pariteettia muutettaessa, koska liikemäärä on aksiaalinen vektori . Toisaalta suunta, johon hajoamistuotteet lentää toisistaan, riippuu pariteetista, koska liikemäärä on polaarinen vektori . Toisin sanoen, jos "todellisessa" maailmassa koboltti-60:n ydinspin ja hajoamistuotteiden laajeneminen olisivat suunnilleen samaan suuntaan, niin "peilimaailmassa" ne olisivat suunnilleen vastakkaisiin suuntiin, koska suunta hajoamistuotteiden laajeneminen muuttuisi ja pyörimissuunta - ei [16] .
Tämä osoittaa selkeän eron heikon vuorovaikutuksen käyttäytymisessä molemmissa "maailmoissa", ja siksi heikkoa vuorovaikutusta ei voida kutsua symmetriseksi pariteetin suhteen. Ainoa tapa, jolla heikko voima saattoi osoittautua pariteettisymmetriseksi oli, jos tuloksena olevien hiukkasten suunnassa ei olisi etusijaa, koska silloin suunnanmuutos "peilimaailmassa" ei näyttäisi erilaiselta kuin "todellisessa" maailmassa. , koska joka tapauksessa hajoamistuotteita oli yhtä paljon molempiin suuntiin [16] .
Kokeessa seurattiin koboltti-60 ( 60 Co) -atomien hajoamista, joiden spinit kohdistettiin tasaisella magneettikentällä (polarisaatiokenttä) ja jäähdytettiin lähes absoluuttiseen nollaan , jotta lämpövaihtelut eivät häirinneet spinien kohdistusta [17] . Koboltti-60 on koboltin epästabiili isotooppi, joka hajoaa beetahajoamisen kautta vakaaksi isotoopiksi nikkeli-60 ( 60Ni ). Tämän hajoamisen aikana yksi koboltti-60-ytimen neutroneista hajoaa protoniksi ja emittoi elektronin (e- ) ja elektronin antineutriinon ( ν e ). Tuloksena oleva nikkeliydin on kuitenkin virittyneessä tilassa ja menee nopeasti perustilaansa lähettäen kaksi gammasäteen kvanttia (γ). Tästä johtuu ydinreaktion yleinen yhtälö:
Gammasäteet ovat fotoneja, joten niiden emissio nikkeli-60-ytimestä on sähkömagneettinen prosessi. Tämä on tärkeää, koska tiedetään, että sähkömagneettiset prosessit ovat pariteettia säilyttäviä, ja siksi ne säteilevät suunnilleen saman verran kaikkiin suuntiin, eli niiden jakautuminen on suunnilleen "isotrooppinen". Siksi emittoituneiden elektronien jakautumista voidaan verrata emittoituneiden gammasäteiden jakautumiseen sen selvittämiseksi, emittoivatko ne myös isotrooppisesti. Toisin sanoen gammasäteiden jakautuminen toimi vertailukokeena emittoituneiden elektronien jakautumiseen. Toinen emittoivien gammasäteiden etu oli tietää, missä määrin ne eivät jakautuneet täysin tasaisesti kaikkiin suuntiin (niiden jakautumisen "anisotropia"), ja niitä voitiin käyttää koboltin ydinspinien kohdistusasteen määrittämiseen . 60. Jos koboltti-60-ytimet eivät olisi kohdistettu lainkaan, niin elektronipäästöjakaumasta riippumatta koe ei paljastaisi anisotropiaa. Tämä johtuu ytimien mielivaltaisesta suunnasta, jolloin elektronien emissio on satunnaista ja kokeessa havaitaan sama määrä elektroneja kaikkiin suuntiin, vaikka jokainen yksittäinen ydin emittoisi niitä vain yhteen suuntaan [ 18] .
Sitten kokeessa laskettiin gamma-kvanttien ja elektronien emission nopeus kahteen eri suuntaan ja niiden arvoja verrattiin. Tämä nopeus mitattiin ajan funktiona ja polarisoivan kentän ollessa suunnattu vastakkaisiin suuntiin. Jos elektronien laskentanopeudet eivät poikkeaisi merkittävästi gammasäteiden arvoista, tämä olisi todiste P -pariteetin säilymisestä heikon vuorovaikutuksen vuoksi. Jos laskentanopeudet kuitenkin eroavat merkittävästi, on olemassa vahvaa näyttöä siitä , että heikko vuorovaikutus todellakin rikkoo P -pariteettia [1] [7] .
Tämän kokeen tavoitteena oli saada 60Co- ytimien suurin mahdollinen polarisaatio . Koska ytimien magneettiset momentit ovat hyvin pieniä elektroneihin verrattuna, vaadittiin voimakkaita magneettikenttiä erittäin matalissa lämpötiloissa, paljon pienempiä kuin mitä voitaisiin saavuttaa jäähdyttämällä pelkällä nestemäisellä heliumilla. Matalat lämpötilat on saavutettu adiabaattisen demagnetisoinnin menetelmällä . Radioaktiivista kobolttia kerrostettiin ohuena pintakerroksena cerium-magnesiumnitraattikiteelle, paramagneettiselle suolalle, jolla on erittäin anisotrooppinen Landen g-tekijä [1] [2] .
Suola magnetoitiin pitkin akselia, jolla oli suuri g-kerroin, ja lämpötila laskettiin 1,2 K:iin pumppaamalla heliumhöyryä matalaan paineeseen. Horisontaalisen magneettikentän sammuttaminen alensi lämpötilan noin 0,003 K:iin. Vaakamagneetti oli auki, mikä antoi tilaa pystysuoralle solenoidille, joka voitiin asettaa sisään ja kytkeä päälle tasaamaan kobolttiytimien ylöspäin tai alaspäin suuntautuvat magneettiset momentit [2] . Solenoidin magneettikenttä nosti lämpötilaa vain hieman, koska solenoidin magneettikentän suuntaus oli matalan g-kertoimen suuntaan. Gorter [19] ja Rose [20] keksivät tämän menetelmän 60Co - ytimien korkean polarisoinnin saavuttamiseksi .
Gammasäteiden havaitsemista ohjattiin käyttämällä ekvatoriaalisia ja polaarisia laskureita, joita käytettiin polarisaation mittaamiseen. Gammasäteilyn polarisaatiota seurattiin jatkuvasti seuraavat 15 minuuttia, kun kide lämpeni ja anisotropia katosi. Vastaavasti beetasäteilyä seurattiin jatkuvasti lämpenemisjakson aikana [1] .
Wu:n suorittamassa kokeessa havaittiin gammasäteilyn anisotropiaa sekä beetasäteilyn anisotropiaa, kunnes järjestelmä lämpeni (noin 6 minuuttia), kun molemmat anisotropiat katosivat. Jos pariteetti säilyisi beeta-hajoamisen aikana, niin emittoivilla elektroneilla ei olisi ensisijaista vaimenemissuuntaa suhteessa ydinspinin orientaatioon, ja epäsymmetria laajenemissuunnassa olisi lähellä gammasäteiden arvoa. Wu kuitenkin huomasi, että elektronit emittoivat suuntaan, joka oli mieluiten vastakkainen gammasäteiden suuntaan, eli sillä oli negatiivinen etumerkki. Toisin sanoen suurimmalla osalla elektroneista oli hyvin spesifinen laajenemissuunta, joka oli suoraan vastapäätä ydinspiniä [21] . Havaittu elektroninen epäsymmetria ei myöskään muuttanut etumerkkiä polarisoivan kentän käänteessä, mikä tarkoittaa, että epäsymmetria ei johtunut remanenttimagnetisaatiosta näytteissä. Myöhemmin havaittiin, että pariteettirikkomus oli suurin [6] [22] .
Tulokset yllättivät fysiikan yhteisön suuresti. Useat tutkijat yrittivät sitten toistaa Wun ryhmän [23] [24] tuloksia, kun taas toiset reagoivat tuloksiin epäuskoisina. Wolfgang Pauli , saatuaan viestin Georges M. Temmeriltä , joka työskenteli myös National Bureau of Standardsissa, että pariteetin säilyttämistä ei voida enää pitää totta kaikissa tapauksissa, huudahti: "Se on täyttä hölynpölyä!". Temmer vakuutti hänelle, että kokeen tulos vahvisti tämän asian, johon Pauli vastasi ytimekkäästi: "Sitten se on toistettava!" [6] . Vuoden 1957 loppuun mennessä lisätutkimukset vahvistivat Wun ryhmän alkuperäiset tulokset, ja P -pariteetin rikkominen vakiintui [23] .
Wun kokeen tulokset antavat meille mahdollisuuden määritellä nopeasti käsitteet vasen ja oikea. Tämä ero on luontainen heikon vuorovaikutuksen luonteeseen. Aiemmin, jos tiedemiehet maan päällä olivat vuorovaikutuksessa äskettäin löydetyn planeetan tutkijoiden kanssa, eivätkä he koskaan tavanneet henkilökohtaisesti, kukin ryhmä ei voinut yksiselitteisesti tunnistaa toisen ryhmän vasenta ja oikeaa puolta. Wun kokeilu voi kertoa toiselle ryhmälle, että sanat "vasen" ja "oikea" on määritelty tarkasti ja yksiselitteisesti. Wun kokeilu ratkaisi lopulta Ozman ongelman , joka on antaa yksiselitteinen määritelmä vasemmalle ja oikealle tieteellisestä näkökulmasta [25] .
Perustasolla (kuten oikealla olevasta Feynman-kaaviosta näkyy ) beeta-hajoaminen johtuu negatiivisesti varautuneiden ( -yksi3 e ) kvarkoituu W-bosonin emission kautta, jonka jälkeen se hajoaa elektroniksi ja antineutriinoksi:
d → u + e − + vKvarkilla on vasen (negatiivinen kiraalisuus) ja oikea (positiivinen kiraalisuus) osa. Kun se liikkuu aika-avaruudessa, se värähtelee näiden tilojen välillä, siirtyen oikealta vasemmalle ja päinvastoin. Wu:n kokeen P -pariteetin rikkomisen demonstraation analyysistä voimme päätellä, että vain vasemmanpuoleiset alas-kvarkit hajoavat ja vain vasemmanpuoleiset kvarkit ja leptonit (tai oikeanpuoleiset antikvarkit ja antileptonit) ovat mukana heikossa vuorovaikutuksessa. Oikeat hiukkaset eivät yksinkertaisesti osallistu heikkoon vuorovaikutukseen. Jos untuvakvarkilla ei olisi massaa, se ei värähtäisi ja sen oikeakätinen tila olisi itsessään melko vakaa. Koska untuvakvarkki on kuitenkin massiivinen, se värähtelee ja hajoaa [26] .
Yleensä, koska ( atomiyksiköissä P tarkoittaa pariteettia), voimakas magneettikenttä polarisoituu pystysuunnassa 60
27Co ovat ytimiä siten, että . Koska hajoaminen säilyttää myös liikemäärän , se seuraa kohdasta [27] . Siten beetasäteiden konsentraatio negatiivisessa z -suunnassa osoitti vasemmanpuoleisten kvarkkien ja elektronien ilmaantumista. Kokeissa, kuten Wu-kokeessa ja Goldhaber -kokeessa , on osoitettu, että massattomien neutriinojen on oltava vasenkätisiä ja massattomien antineutriinojen on oltava oikeakätisiä [28] . Koska neutriinoilla tiedetään nykyään olevan pieni massa, on ehdotettu, että oikeakätisiä ja vasenkätisiä antineutriinoja voi myös olla olemassa. Nämä neutriinot eivät ole vuorovaikutuksessa heikon vuorovaikutuksen Lagrangin kanssa ja osallistuvat vain gravitaatiovuorovaikutukseen, mahdollisesti muodostaen osan universumin pimeää ainetta [29] .
Wun löytö loi pohjan standardimallin kehittämiselle , koska malli perustui ajatukseen hiukkassymmetriasta, voimista ja siitä, kuinka hiukkaset voivat joskus rikkoa tämän symmetrian [30] [31] . Tämän löydön laaja kattavuus sai atomihajoamisen pioneerin Otto Robert Frischin mainitsemaan, että Princetonin ihmiset sanoivat usein, että Wun löytö oli merkittävin sitten Michelsonin kokeen , joka inspiroi Einsteinin suhteellisuusteoriaa [32] , kun taas amerikkalainen yhdistys AAUW kutsui tätä löytöä ratkaisuksi ydinfysiikan suurimpaan arvoitukseen [33] . Sen lisäksi, että he osoittivat heikon voiman erottavan ominaisuuden kolmesta muusta vuorovaikutuksen perusvoimasta, lisätutkimukset johtivat lopulta yleiseen CP-rikkomukseen tai varauskonjugaatiosymmetrian rikkoutumiseen [34] . Tämä rikkomus tarkoitti sitä, että tutkijat pystyivät erottamaan aineen antimateriaalista ja löytämään ratkaisun, joka selittäisi, miksi maailmankaikkeus on täynnä vain ainetta eikä antimateriaa [35] . Tämä johtuu siitä, että symmetrian puute olisi mahdollistanut aineen ja antiaineen epätasapainon olemassaolon , mikä olisi mahdollistanut aineen olemassaolon tänään alkuräjähdyksen vuoksi [36] . Lee ja Yang saivat Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 1957 tunnustuksena teoreettisesta työstään [37] . Abdus Salam kysyi klassista kirjallisuutta tutkivalta kollegaltaan [32] :
Onko olemassa muinaista kirjailijaa, joka olisi koskaan ajatellut jättiläisiä vain vasemmalla silmällä. Hän tunnusti, että yksisilmäisiä jättiläisiä oli kuvattu ja toimitti minulle täydellisen luettelon heistä; mutta he aina [kuten kykloopit <..>] heiluttavat yksinäistä silmäänsä otsansa keskellä. Huomasimme, että maailma on heikko jättiläinen, jolla on vasen silmä."
Alkuperäinen teksti (englanniksi)[ näytäpiilottaa] Jos joku klassinen kirjailija olisi koskaan ajatellut jättiläisiä vain vasemmalla silmällä. Hän tunnusti, että yksisilmäisiä jättiläisiä on kuvattu ja toimitti minulle täydellisen luettelon niistä; mutta he aina [kuten kykloopit <..>] pitelevät yksinäistä silmäänsä keskellä otsaa. Olemme havainneet, että avaruus on heikko vasensilmäinen jättiläinen.