Home » Articole » RO » Știință » Fizica » Particule elementare » Experimentul Wu, pentru conservarea parității în fizica nucleară

Experimentul Wu, pentru conservarea parității în fizica nucleară

Experimentul Wu a fost un experiment de fizică nucleară efectuat în 1956 de către fizicianul chinez american Chien-Shiung Wu în colaborare cu Grupul de temperatură scăzută al Biroului Național de Standardizare al SUA. Scopul experimentului a fost de a stabili dacă conservarea parității (conservarea P), care a fost stabilită anterior în interacțiunile electromagnetice și puternice, s-a aplicat și interacțiunilor slabe. Dacă conservarea P ar fi adevărată, o versiune oglindită a lumii (unde stânga este dreapta și dreapta este stânga) s-ar comporta ca o imagine în oglindă a lumii actuale. Dacă s-ar încălca conservarea P, atunci ar fi posibil să se facă distincția între o versiune oglindită a lumii și imaginea în oglindă a lumii actuale.

Experimentul a stabilit că conservarea parității a fost încălcată (încălcarea P) de interacțiunea slabă, oferind o modalitate de a defini operațional stânga și dreapta fără referire la corpul uman. Acest rezultat nu era așteptat de comunitatea fizică, care considerase anterior paritatea ca o cantitate conservată. Tsung-Dao Lee și Chen-Ning Yang, fizicienii teoreticieni care au creat ideea neconservării parității și au propus experimentul, au primit Premiul Nobel pentru fizică din 1957 pentru acest rezultat. Rolul lui Chien-Shiung Wu în descoperire a fost menționat în discursul de acceptare a premiului Nobel, dar nu a fost onorat decât în ​​1978, când i s-a acordat primul premiu Wolf.

Istorie

Simetrie P
Sursa: SiBr4, https://en.wikipedia.org/wiki/File:Parity_clocks_-_P-conservation.svg, CC Attribution-Share Alike 3.0 Unported

(Sus: simetrie P: un ceas construit ca imaginea sa oglindită se va comporta ca imaginea oglindită a ceasului original. Jos: asimetrie P: un ceas construit ca imaginea sa oglindită nu se va comporta ca imaginea oglindită a ceasului original.)

În 1927, Eugene Wigner a oficializat principiul conservării parității (conservarea P), ideea că lumea actuală și una construită ca imaginea ei în oglindă s-ar comporta în același mod, cu singura diferență că stânga și dreapta ar fi inversate (de exemplu, un ceas care se rotește în sensul acelor de ceasornic s-ar roti în sens invers acelor de ceasornic dacă ați construi o versiune oglindită a acestuia).

Acest principiu a fost larg acceptat de către fizicieni, iar conservarea P a fost verificată experimental în interacțiunile electromagnetice și puternice. Cu toate acestea, la mijlocul anilor 1950, anumite dezintegrări care implică kaoni nu au putut fi explicate prin teoriile existente în care se presupunea că conservarea P este adevărată. Se părea că există două tipuri de kaoni, unul care se descompune în doi pioni și celălalt care se descompune în trei pioni. Acest lucru a fost cunoscut sub numele de puzzle-ul τ–θ.

Fizicienii teoreticieni Tsung-Dao Lee și Chen-Ning Yang au făcut o revizuire a literaturii cu privire la problema conservării parității în toate interacțiunile fundamentale. Ei au ajuns la concluzia că, în cazul interacțiunii slabe, datele experimentale nu au confirmat și nici nu au respins conservarea P. La scurt timp, s-au apropiat de Chien-Shiung Wu, care era expert în spectroscopie de dezintegrare beta, cu diverse idei pentru experimente. S-au stabilit pe ideea de a testa proprietățile direcționale ale dezintegrării beta în cobalt-60. Wu și-a dat seama de potențialul unui experiment revoluționar și a început să lucreze serios la sfârșitul lunii mai 1956, anulând o călătorie planificată la Geneva și Orientul Îndepărtat împreună cu soțul ei, dorind să șocheze restul comunității de fizică. Prin urmare, a luat legătura cu Henry Boorse și Mark W. Zemansky, care aveau o vastă experiență în fizica la temperaturi scăzute. La cererea lui Boorse și Zemansky, Wu l-a contactat pe Ernest Ambler, de la Biroul Național de Standardizare, care a aranjat ca experimentul să se desfășoare în 1956 la laboratoarele de temperatură joasă ale BNS. După câteva luni de muncă depășind dificultățile tehnice, echipa lui Wu a observat o asimetrie care indica încălcarea parității în decembrie 1956.

Teorie

Dacă o anumită interacțiune respectă simetria parității, înseamnă că, dacă stânga și dreapta ar fi schimbate, interacțiunea s-ar comporta exact așa cum a făcut-o înainte de schimb. Un alt mod în care este exprimat acest lucru este să ne imaginăm că sunt construite două lumi care diferă doar prin paritate – lumea „reală” și lumea „oglindă”, unde stânga și dreapta sunt schimbate. Dacă o interacțiune este cu paritară simetrică, ea produce aceleași rezultate în ambele „lumi”.

Scopul experimentului lui Wu a fost de a determina dacă acesta a fost cazul interacțiunii slabe, analizând dacă produsele de dezintegrare ale cobaltului-60 au fost emise preferențial într-o direcție sau nu. Acest lucru ar însemna încălcarea simetriei parității, deoarece dacă interacțiunea slabă ar păstra paritatea, emisiile de dezintegrare ar trebui emise cu probabilitate egală în toate direcțiile. După cum a afirmat Wu și colab .:

”Dacă se observă o asimetrie în distribuția între θ și 180°- θ (unde θ este unghiul dintre orientarea nucleilor părinți și impulsul electronilor), aceasta oferă o dovadă neechivocă că paritatea nu este păstrată în dezintegrarea beta.”

Motivul pentru aceasta este că nucleul de cobalt-60 poartă spin, iar spinul nu schimbă direcția sub paritate (deoarece momentul unghiular este un vector axial). În schimb, direcția în care sunt emise produsele de dezintegrare se schimbă sub paritate, deoarece impulsul este un vector polar. Cu alte cuvinte, în lumea „reală”, dacă spinul nuclear al cobalt-60 și emisiile produsului de descompunere ar fi ambele în aproximativ aceeași direcție, atunci în lumea „oglindă”, acestea ar fi în direcții aproximativ opuse, deoarece direcția de emisie ar fi fost răsturnată, dar direcția de spin nu.

Aceasta ar fi o diferență clară în comportamentul interacțiunii slabe dintre ambele „lumi” și, prin urmare, interacțiunea slabă nu se poate spune că are paritate simetrică. Singura modalitate prin care interacțiunea slabă ar putea fi simetrică pentru paritate este dacă nu ar exista o preferință în direcția emisiilor, pentru că atunci un flip în direcția emisiilor în lumea „oglindă” nu ar arăta diferit decât lumea „reală”, deoarece oricum a fost un număr egal de emisii în ambele direcții.

Experiment

Experimentul Wu efectuat la laboratorul Bureau of Standards
Sursa: Domeniu public

(Experimentul Wu efectuat la laboratorul Bureau of Standards la temperaturi scăzute, Washington DC, în 1956. Camera verticală de vid, care conține cobalt-60, detectoare și bobină de câmp, este plasată într-un Dewar înainte de a fi introdusă în electromagnetul mare în fundal, care va răci radioizotopul aproape de zero absolut prin demagnetizare adiabatică. Sursa: Domeniu public)

Experimentul a monitorizat dezintegrarea atomilor de cobalt-60 (60Co) care au fost aliniați de un câmp magnetic uniform (câmpul polarizant) și s-au răcit până aproape de zero absolut, astfel încât mișcările termice să nu distrugă alinierea. Cobalt-60 este un izotop instabil de cobalt care se descompune prin dezintegrare beta în izotopul stabil nichel-60 (60Ni). În timpul acestei descompuneri, unul dintre neutronii din nucleul de cobalt-60 se descompune în un proton prin emiterea unui electron (e) și a unui electron antineutrino (νe). Nucleul de nichel rezultat, totuși, se află într-o stare excitată și se descompune prompt la starea sa de bază prin emiterea a două raze gamma (γ). Prin urmare, ecuația nucleară generală a reacției este:

2760Co → 2860Ni + e + ν¯e + 2γ

Razele gamma sunt fotoni, iar eliberarea lor din nucleul de nichel-60 este un proces electromagnetic (EM). Acest lucru este important deoarece EM era cunoscut pentru a respecta conservarea parității și, prin urmare, acestea ar fi emise aproximativ în mod egal în toate direcțiile (acestea ar fi distribuite aproximativ „izotrop”). Prin urmare, distribuția electronilor emiși ar putea fi comparată cu distribuția razelor gamma emise pentru a compara dacă și ele au fost emise izotrop. Cu alte cuvinte, distribuția razelor gamma a acționat ca un control pentru distribuția electronilor emiși. Un alt beneficiu al razelor gamma emise a fost că se știa că gradul în care acestea nu au fost distribuite perfect în mod egal în toate direcțiile („anizotropia” distribuției lor) ar putea fi folosit pentru a determina cât de bine s-au aliniat nucleele de cobalt-60 (cât de bine au fost aliniați spinii lor). Dacă nucleele de cobalt-60 nu ar fi deloc aliniate, atunci indiferent de modul în care ar fi distribuită cu adevărat emisia de electroni, nu ar fi detectată de experiment. Acest lucru se datorează faptului că un eșantion nealiniat de nuclee ar putea fi de așteptat să fie orientat aleatoriu și, astfel, emisiile de electroni ar fi aleatorii și experimentul ar detecta un număr egal de emisii de electroni în toate direcțiile, chiar dacă acestea ar fi emise din fiecare nucleu individual numai în o singură direcție.

Experimentul a numărat apoi rata de emisie pentru raze gamma și electroni în două direcții distincte și a comparat valorile acestora. Această rată a fost măsurată în timp și cu câmpul polarizator orientat în direcții opuse. Dacă ratele de numărare pentru electroni nu difereau semnificativ de cele ale razelor gamma, atunci ar fi existat dovezi care să sugereze că paritatea a fost într-adevăr păstrată de interacțiunea slabă. Dacă, totuși, ratele de numărare au fost semnificativ diferite, atunci ar exista dovezi puternice că interacțiunea slabă încalcă într-adevăr conservarea parității.

Materiale si metode

Ilustrația schematică a experimentului Wu
Sursa: Pen88, traducere personală, https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Wu-Experiment_wikipedia.png, CC Attribution-Share Alike 3.0 Unported

(Ilustrația schematică a experimentului Wu.)

Provocarea experimentală din acest experiment a fost de a obține cea mai mare polarizare posibilă a nucleilor de 60Co. Datorită momentelor magnetice foarte mici ale nucleelor ​​în comparație cu electronii, au fost necesare câmpuri magnetice puternice la temperaturi extrem de scăzute, mult mai mici decât s-ar putea realiza doar prin răcirea heliului lichid. Temperaturile scăzute au fost realizate folosind metoda demagnetizării adiabatice. Cobaltul radioactiv a fost depus ca un strat subțire de suprafață pe un cristal de azotat de ceriu-magneziu, o sare paramagnetică cu un factor g Landé foarte anizotrop.

Sarea a fost magnetizată de-a lungul axei factorului g ridicat și temperatura a scăzut la 1,2 K prin pomparea heliului la presiune scăzută. Închiderea câmpului magnetic orizontal a dus la scăderea temperaturii la aproximativ 0,003 K. Magnetul orizontal a fost deschis, permițând introducerea unui solenoid vertical și pornit pentru a alinia nucleele de cobalt fie în sus, fie în jos. Doar o creștere neglijabilă a temperaturii a fost cauzată de câmpul magnetic al solenoidului, deoarece orientarea câmpului magnetic al solenoidului era în direcția factorului g scăzut. Această metodă de realizare a polarizării ridicate a nucleelor ​​de 60Co a ​​fost inițiată de Gorter și Rose.

Producția de raze gamma a fost monitorizată folosind contoare ecuatoriale și polare ca măsură a polarizării. Polarizarea razelor gamma a fost monitorizată continuu în următorul sfert de oră, pe măsură ce cristalul s-a încălzit și s-a pierdut anizotropia. La fel, emisiile de raze beta au fost monitorizate continuu în această perioadă de încălzire.

Rezultate

În experimentul realizat de Wu, anizotropia razelor gamma a fost de aproximativ 0,6. Adică, aproximativ 60% din razele gamma au fost emise într-o direcție, iar 40% au fost emise în cealaltă direcție. Dacă paritatea ar fi păstrată în dezintegrarea beta, electronii emiși nu ar fi avut o direcție de dezintegrare preferată în raport cu spinul nuclear, iar asimetria în direcția de emisie ar fi fost aproape de valoarea pentru razele gamma. Cu toate acestea, Wu a observat că electronii au fost emiși într-o direcție preferențial opusă celei a razelor gamma cu o asimetrie semnificativ mai mare decât valoarea anizotropiei razelor gamma. Adică, majoritatea electronilor au favorizat o direcție de dezintegrare foarte specifică, în mod specific opusă celei a spinului nuclear. Asimetria electronică observată, de asemenea, nu a schimbat semnul atunci când câmpul polarizant a fost inversat, ceea ce înseamnă că asimetria nu a fost cauzată de magnetizarea remanentă în probe. Ulterior s-a stabilit că încălcarea parității era de fapt maximă.

Rezultatele au surprins foarte mult comunitatea fizică. Mai mulți cercetători s-au grăbit apoi să reproducă rezultatele grupului lui Wu, în timp ce alții au reacționat cu neîncredere la rezultate. Wolfgang Pauli, după ce a fost informat de Georges M. Temmer, care a lucrat și la NBS, că conservarea parității nu se mai poate presupune că este adevărată în toate cazurile, a exclamat „Asta este o prostie totală!” Temmer l-a asigurat că rezultatul experimentului a confirmat că acesta este cazul, la care Pauli a răspuns pe scurt: „Atunci trebuie repetat!” Până la sfârșitul anului 1957, cercetările ulterioare au confirmat rezultatele inițiale ale grupului lui Wu, iar încălcarea P a fost ferm stabilită.

Mecanism și consecințe

Diagrama Feynman
Sursa; Domeniu public

(Diagrama Feynman pentru dezintegrarea β- a unui neutron într-un proton, electron și antineutrino de electroni printr-un boson W intermediar. Sursa: Domeniu public)

Rezultatele experimentului Wu oferă o modalitate de a defini operațional noțiunea de stânga și dreapta. Acest lucru este inerent naturii interacțiunii slabe. Anterior, dacă oamenii de știință de pe Pământ ar comunica cu un om de știință recent descoperit al planetei și nu s-ar fi întâlnit niciodată în persoană, nu ar fi fost posibil ca fiecare grup să determine fără echivoc stânga și dreapta celuilalt grup. Cu experimentul Wu, este posibil să comunicăm celuilalt grup ce înseamnă exact și fără echivoc cuvintele stânga și dreapta. Experimentul Wu a rezolvat în cele din urmă problema Ozma, care este de a da o definiție fără echivoc a stângii și a dreptei din punct de vedere științific.

La nivel fundamental (așa cum este descris în diagrama Feynman, dezintegrarea beta este cauzată de conversia quarcului down încărcat negativ (-1/3 e) în quarcul încărcat pozitiv (+2/3 e) cu emisia unui boson W-; bosonul W-se descompune ulterior într-un electron și un electron antineutrino:

d → u + e− + νe.

Quarcul are o parte stângă și o parte dreaptă. Pe măsură ce traversează spațiul-timp, oscilează înainte și înapoi de la partea dreaptă la partea stângă și de la partea stângă la partea dreaptă. Din analiza demonstrației experimentului Wu de încălcare a parității, se poate deduce că doar partea stângă a quarcilor down se dezintegrează și interacțiunea slabă implică doar partea stângă a quarcilor și a leptonilor (sau partea dreaptă a antiquarcilor și antileptonilor). Partea dreaptă a particulei pur și simplu nu simte interacțiunea slabă. Dacă quarcul down nu ar avea masă, acesta nu ar oscila, iar partea dreaptă a acestuia ar fi destul de stabilă de la sine. Cu toate acestea, deoarece quarcul down este masiv, acesta oscilează și se descompune.

Per total, cu JCo = 5, câmpul magnetic puternic polarizează vertical nucleii 6027Co astfel încât Jz,Co = JCo = + 5. Deoarece JNi = 4 și dezintegrarea conservă momentul unghiular, Jz,Co = Jz,Ni + Jz,e- + Jz,ν = + 5 implică faptul că Jz,e- = Jz,ν = +1/2. Astfel, concentrația razelor beta în direcția negativ-z a indicat o preferință pentru quarcii și electronii de stânga.

Din experimente precum experimentul Wu și experimentul Goldhaber, s-a stabilit că neutrinii fără masă trebuie să fie de stânga, în timp ce antineutrinii fără masă trebuie să fie de dreapta. Din moment ce se știe în prezent că neutrinii au o masă mică, s-a propus că ar putea exista neutrini de dreapta și antineutrini de stânga. Acești neutrini nu s-ar cupla cu lagrangianul slab și ar interacționa doar gravitațional, formând posibil o porțiune a materiei întunecate din univers.

Știința - Filosofia științei
Știința – Filosofia științei

Cartea explorează principalele teme și teorii ale științei și filozofiei contemporane a științei, evidențiind întrebările fascinante și provocatoare actuale din știință în generală și filosofia științei, cu accent pe metodele științifice. O mare parte din înțelegerea noastră provine din cercetarea … Citeşte mai mult

Nu a fost votat $4,99$10,99 Selectează opțiunile
Teoria generală a relativității
Teoria generală a relativității

Relativitatea generală este o teorie metrică a gravitației. La baza ei sunt ecuațiile lui Einstein, care descriu relația dintre geometria unei varietăți patrudimensionale, pseudo-Riemanniene, reprezentând spațiu-timpul și energia-impulsul conținut în acel spațiu-timp. Fenomenele care în mecanica clasică sunt atribuite acțiunii … Citeşte mai mult

Nu a fost votat $1,99 Selectează opțiunile
Singularitățile ca limite ontologice ale relativității generale
Singularitățile ca limite ontologice ale relativității generale

Singularitățile la care se ajunge în relativitatea generală prin rezolvarea ecuațiilor lui Einstein au fost și încă mai sunt subiectul a numeroase dezbateri științifice: Există sau nu, singularități? Big Bang a fost o singularitate inițială? Dacă singularitățile există, care este … Citeşte mai mult

Nu a fost votat $0,00$2,19 Selectează opțiunile

Faci un comentariu sau dai un răspuns?

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *