Interested Article - Опыт Ву

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

Опыт Ву — эксперимент в области физики элементарных частиц и ядерной физики , проведённый в 1956 году китайским и американским физиком Цзяньсюн Ву в сотрудничестве с Лабораторией низких температур Национального бюро стандартов США . Целью опыта было установить, сохраняется ли чётность ( P -чётность ), которая ранее была установлена в электромагнитных и сильных взаимодействиях , также для слабого взаимодействия или нет. Если P -чётность была бы истинной сохраняющейся величиной, то зеркальная версия мира (где левое заменяется на правое, а правое — на левое) вела бы 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. Опыт состоял в наблюдении распределения направлений вылета электронов из ядер кобальта-60 при бета-распаде в условиях очень низкой температуры и сильного магнитного поля. В нём обнаружилась асимметрия распределения бета-частиц , вылетающих из источника радиации.

Результаты опыта показали, что сохранение пространственной чётности нарушается из-за слабого взаимодействия, что приводит к возможности оперативно определять без привязки к макрообъектам реального мира. Этот результат не был ожидаемым в физическом сообществе, которое раньше считало чётность . 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 Ву Цзяньсюн в открытии была упомянута в нобелевской речи , но не была отмечена вплоть до 1978 года, когда ей впервые присудили премию Вольфа .

История

Вверху : P -симметрия: часы, построенные в виде зеркального изображения, будут вести себя как зеркальное изображение оригинальных часов.
Внизу : P -асимметрия: часы, построенные по принципу зеркального изображения, «не» будут вести себя как зеркальное изображение оригинальных часов.

В 1927 году Юджин Вигнер формализовал принцип сохранения чётности ( P -чётности) — идею о том, что настоящий мир и мир, построенный как его зеркальное отображение, будут вести себя одинаково, с той лишь разницей, что левое и правое будут перевёрнуты (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 годах 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. Этот эффект получил название τ — θ-парадокс .

Чжэндао Ли и Чжэньнин Янг положили начало идее несохранения чётности. Они провели обзор литературы по вопросу сохранения чётности во всех фундаментальных взаимодействиях и пришли к выводу, что в случае слабого взаимодействия экспериментальные данные не подтверждают и не опровергают наличия P -симметрии . 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, желая опередить остальное физическое сообщество, приступила к работе в конце мая 1956 года, отменив запланированную поездку в Женеву и на Дальний Восток со своим мужем. Большинство физиков, включая её близкого друга Вольфганга Паули , считали это невозможным . Другой известный учёный, Ричард Фейнман , заключил пари 10 000 к 1 с физиком Норманом Рамзеем на провал эксперимента; узнав о его результатах, он договорился на пятьдесят долларов — сумму, которую он позже заплатит Рамзею на Рочестерской конференции .

Ву пришлось связаться с Генри Бурсом и , которые имели большой опыт в физике низких температур , чтобы провести свой эксперимент. По просьбе Бурса и Земанского Ву связалась с из Национального бюро стандартов для помощи в организации эксперимента, который должен был состояться в 1956 году в Лаборатории низких температур Национального бюро стандартов . В декабре 1956 года после нескольких месяцев работы и преодоления технических трудностей команда Ву установила асимметрию, указывающую на нарушение чётности .

Ли и Янг, которые инициировали опыт Ву, за свою теоретическую работу были награждены Нобелевской премией по физике в 1957 году, вскоре после проведения эксперимента. Роль Ву в открытии была упомянута в речи во время вручения премии . Вольфганг Паули, Янг, Ли и многие другие учёные были возмущены таким решением Нобелевского комитета, а лауреат Нобелевской премии 1988 года Джек Штайнбергер назвал это самой большой ошибкой в истории Нобелевского комитета . В 1978 году Ву была присуждена первая премия Вольфа .

Теория

Если конкретное взаимодействие сохраняет P -симметрию, 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 пространственной чётности, то оно приводит к одинаковым результатам в обоих «мирах» .

Цель эксперимента Ву состояла в том, чтобы определить, сохраняется или нарушается P -чётность в слабом взаимодействии, исследовав направление движения продуктов распада кобальта-60. Если распад происходил бы в выделенном направлении, то это означало бы нарушение чётности, потому что если бы слабое взаимодействие сохраняло чётность, то продукты распада должны испускаться равновероятно во всех направлениях. Как писали Ву с соавторами :

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 чётность не сохраняется при бета-распаде.

Причина этого заключается 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 разлетаются, зависит от чётности, поскольку импульс — это полярный вектор . Другими словами, если бы в «реальном» мире ядерный спин кобальта-60 и разлёт продуктов распада оказались бы примерно в одном направлении, то в «зеркальном» мире они были бы примерно в противоположных направлениях, потому что направление разлёта продуктов распада бы изменилось, а направление спина — нет .

Это покажет явное различие 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, — если бы не было предпочтения в направлении разлёта получившихся частиц, 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 разлетевшихся продуктов распада в оба направления .

Эксперимент

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

В эксперименте наблюдался распад ядер атомов кобальта-60 ( 60 Co), спины которых были выстроены вдоль однородного магнитного поля, для чего охлаждались почти до абсолютного нуля , чтобы тепловые флуктуации не нарушали выравнивание спинов . Кобальт-60 — это нестабильный изотоп кобальта , который распадается в результате бета-распада до стабильного изотопа 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 ). Образовавшееся ядро никеля, однако, находится в возбужденном состоянии и быстро переходит в своё основное состояние, испуская два кванта гамма-излучения (γ). Отсюда общее уравнение ядерной реакции:

Гамма-лучи — это фотоны, поэтому их излучение ядром никеля-60 представляет собой электромагнитный процесс, в которых чётность сохраняется. Однако, направление их излучения не изотропно, а зависит от направления спина атома. Поэтому, сравнивая показания двух счётчиков гамма-квантов, установленных под разными углами к направлению поляризации образца, можно контролировать наличие поляризации. В то же время, анизотропия вылета электронов, если таковая будет наблюдена, однозначно свидетельствует о несохранении чётности в слабом распаде .

Материалы и методы

Схема опыта Ву

Для этого эксперимента необходимо было получить максимально возможную поляризацию ядер 60 Со. 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 . Изучаемый образец был получен выращиванием монослоя, содержащего радиоактивный кобальт, на поверхности монокристалла церий-магниевого нитрата, парамагнитной соли с сильно анизотропным g-фактором Ланде .

Соль намагничивалась вдоль оси, обладающей большим g-фактором (в эксперименте — горизонтальной), а температура снижалась до 1,2 K путём откачки паров гелия до низкого давления. Отключение горизонтального магнитного поля приводило к снижению температуры примерно до 0,003 K. После этого магнит раскрывался, и на нижнюю часть криостата наезжал вертикальный соленоид, чтобы выровнять магнитные моменты ядер кобальта . Включение магнитного поля соленоида лишь незначительно повышало температуру, так как ориентация магнитного поля соленоида была в направлении низкого g-фактора. Этот метод достижения высокой поляризации ядер 60 Co был уже известен и описан ранее, в работах Гортера и Роуза .

Детектирование гамма-квантов осуществлялось с помощью двух сцинтилляционных счётчиков на основе кристаллов NaI , экваториального и полярного. Их показания использовались для измерения поляризации. Счётчики были настроены, чтобы регистрировать только гамма-кванты интересующего распада, и отфильтровывать фотоны комптоновского рассеяния . Поляризация образца непрерывно отслеживалась в течение следующих 15 минут по мере того, как кристалл нагревался и поляризация пропадала. Бета-излучение, то есть электроны, регистрировалось внутри криостата сцинтиллятором на основе кристалла антрацена , он был расположен в 2 см над поверхностью образца. Свет с этого кристалла через стеклянное окно и колонну из оргстекла передавался на фотоумножитель. .

Полученные результаты

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

В опыте наблюдалась анизотропия гамма-излучения (т.е. поляризация образца), а также коррелированная с поляризацией анизотропия бета-излучения, до момента разогрева системы (около 6 минут) когда обе анизотропии плавно исчезали. Если бы чётность сохранялась при бета-распаде, то испускаемые электроны не имели бы предпочтительного направления распада, а значит скорость счёта электронов не менялась бы при исчезновении поляризации. Изменение полярности соленоида, а вместе с ним и направления поляризации образца, меняло знак эффекта: электроны чаще испускались в направлении, противоположном направлению спина . Чтобы исключить посторонние эффекты, было проверено, что наблюдаемая электронная асимметрия не меняла знак при изменении поля адиабатического размагничивания на противоположное, что означает, что асимметрия не была вызвана остаточной намагниченностью в образцах. Позже было установлено, что нарушение чётности 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 , который также работал в Национальном бюро стандартов, что сохранение чётности 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 твёрдо установлено .

Механизм и последствия

Диаграмма Фейнмана для β
-распада нейтрона на протон , электрон и электронный антинейтрино через промежуточный W
-бозон

Результаты опыта Ву позволяют оперативно определить понятия левого и правого. Это различие заложено в природе слабого взаимодействия. Раньше, если бы учёные на Земле общались с учёными 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» определены точно и недвусмысленно. Эксперимент Ву наконец разрешил , 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 испускания W-бозона с последующим распадом его на электрон и антинейтрино:

d u + e + ν
e
.

Кварк обладает левой (отрицательная хиральность) и правой (положительная хиральность) частью. Когда он движется в пространстве-времени, он колеблется между этими состояниями, переходя от правой части к левой, и наоборот. Из анализа демонстрации нарушения P -чётности в опыте Ву можно сделать вывод, что только левые нижние кварки распадаются, а в слабое взаимодействие вовлечены только левые кварки и лептоны (или правые антикварки и антилептоны). Правые частицы просто не участвуют в слабом взаимодействии. Если бы нижний кварк не имел массы, то он бы не колебался, а его правое состояние было бы само по себе достаточно стабильным. Тем не менее, поскольку нижний кварк массивен, он колеблется и распадается .

В целом, поскольку атомных единицах , P — обозначает чётность), то сильное магнитное поле вертикально поляризует 60
27
Co
— ядра таким образом, что . Поскольку и распад сохраняет угловой момент , то из следует, что . Таким образом, концентрация бета-лучей в отрицательном направлении z указала на появление левых кварков и электронов. Из таких экспериментов, как опыт Ву и опыт , 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 также существовать. Эти нейтрино не будут взаимодействовать с лагранжианом слабого взаимодействия и будут участвовать только в гравитационном взаимодействии, возможно, образуя часть тёмной материи во Вселенной .

Влияние

Открытие Ву 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 этого открытия побудило первооткрывателя атомного распада Отто Роберта Фриша упомянуть, что люди в Принстоне часто говорили, что открытие Ву было самым значительным со времён опыта Майкельсона , который вдохновил Эйнштейна на создание теории относительности , в то время как американская ассоциация назвала это открытие решением самой большой загадки ядерной физики . Помимо демонстрации отличительной характеристики слабого взаимодействия от трёх других фундаментальных сил взаимодействия, дальнейшие исследования в конечном итоге привели 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, почему Вселенная заполнена только материей, а не антиматерией . Это связано с тем, что отсутствие симметрии дало бы возможность существования дисбаланса материи и антивещества , который позволил бы материи существовать сегодня из-за Большого взрыва . Ли и Янг в знак признания их теоретической работы были удостоены Нобелевской премии по физике в 1957 году . Абдус Салам спросил своего коллегу занимающегося классической литературой :

Есть ли античный писатель, который когда-либо рассматривал гигантов только с левым глазом. Он признался, что одноглазые гиганты были описаны, и предоставил мне их полный список; но они всегда [как циклопы <..>] щеголяют своим одиноким глазом посередине лба. Мы обнаружили, что мир — это слабый гигант с левым глазом".

Примечания

  1. Wu, C. S.; Ambler, E.; Hayward, R. W.; Hoppes, D. D.; Hudson, R. P. (1957). . Physical Review . 105 (4): 1413—1415. Bibcode : . doi : .
  2. (англ.) . NIST . Дата обращения: 10 мая 2021. 13 мая 2021 года.
  3. Куцева, Н. В. . . ВГПУ (2018). Дата обращения: 24 апреля 2021.
  4. Klein, O. B. (англ.) . The Nobel Foundation. Дата обращения: 2 октября 2018. 6 июля 2019 года.
  5. Wigner, E. P. (1927). . Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen, Mathematisch Physikalische Klasse . 1927 : 375—381. из оригинала 15 января 2020 . Дата обращения: 19 апреля 2021 . : Доступно в The Collected Works of Eugene Paul Wigner. — Springer , 1993. — Vol. Vol. A. — P. 84–90. — ISBN 978-3-642-08154-5 . — doi : .
  6. Hudson, R. P. Reversal of the Parity Conservation Law in Nuclear Physics // A Century of Excellence in Measurements, Standards, and Technology. — National Institute of Standards and Technology , 2001. — ISBN 978-0849312472 .
  7. Куцева, Н. В. . . ВГПУ (2018). Дата обращения: 23 апреля 2021. 23 апреля 2021 года.
  8. Lee, T. D. (1956). "Question of Parity Conservation in Weak Interactions". Physical Review . 104 (1): 254—258. Bibcode : . doi : .
  9. Паули, Вольфганг. Нарушение зеркальной симметрии в законах атомной физики // Теоретическая физика 20 века / Гл. ред. Фирц, М.; Вайскопф, В.. — M.: Иностранная литература, 1962. — С. 377—379. — 444 с.
  10. Lee, T. D. (2006). "New Insights to Old Problems". arXiv : .
  11. , pp. 136—137.
  12. Chiang, Tsai-Chien. Madame Chien-Shiung Wu: The First Lady of Physics Research. — World Scientific , 2014. — ISBN 978-981-4374-84-2 .
  13. Wu, C. S. The Discovery of the Parity Violation in Weak Interactions and Its Recent Developments // Nishina Memorial Lectures. — Springer , 2008. — ISBN 978-4-431-77055-8 .
  14. , pp. 146.
  15. (англ.) . en . Дата обращения: 6 мая 2021. 11 сентября 2014 года.
  16. Boyd, S. (англ.) . Warwick University (20 апреля 2016). Дата обращения: 5 июня 2021. 8 декабря 2019 года.
  17. Wroblewski, A. K. (2008). (PDF) . Acta Physica Polonica B . 39 (2): 251—264. Bibcode : . из оригинала 25 января 2022 . Дата обращения: 19 апреля 2021 .
  18. Gorter, C. J. (1948). "A New Suggestion for Aligning Certain Atomic Nuclei". en . 14 (8). Bibcode : . doi : .
  19. Rose, M. E. (1949). "On the Production of Nuclear Polarization". Physical Review . 75 (1). Bibcode : . doi : .
  20. Ву, Цзянь-Сюн. Нейтрино // Теоретическая физика 20 века / Гл. ред. Фирц, М.; Вайскопф, В.. — M.: Иностранная литература, 1962. — С. 306—310. — 444 с.
  21. Ziino, G. (2006). "New Electroweak Formulation Fundamentally Accounting for the Effect Known as «Maximal Parity-Violation»". en . Springer . 45 (11): 1993—2050. Bibcode : . doi : .
  22. Garwin, R. L.; Lederman, L. M.; Weinrich, M. (1957). (PDF) . Physical Review . 105 (4): 1415—1417. Bibcode : . doi : . (PDF) из оригинала 20 апреля 2021 . Дата обращения: 19 апреля 2021 .
  23. Ambler, E.; Hayward, R. W.; Hoppes, D. D.; Hudson, R. P.; Wu, C. S. (1957). (PDF) . Physical Review . 106 (6): 1361—1363. Bibcode : . doi : . Архивировано из (PDF) 3 декабря 2013 . Дата обращения: 19 апреля 2021 .
  24. Gardner, M. . — 2005. — P. 215–218. — ISBN 978-0-486-44244-0 .
  25. Lederman, L. M. / L. M. Lederman, C. T. Hill. — en , 2013. — P. –126. — ISBN 978-1-61614-802-7 .
  26. Greiner, Walter; Müller, Berndt. Калибровочная теория слабых взаимодействий = Gauge Theory of Weak Interactions. — 4ed. — Springer Science+Business Media, 2009. — С. 11. — 418 с. — ISBN 3540878424 . — doi : .
  27. , p. 15.
  28. Drewes, M. (2013). "The Phenomenology of Right Handed Neutrinos". en . World Scientific . 22 (8): 1330019—593. arXiv : . Bibcode : . doi : . ISSN .
  29. Cho, Adrian (англ.) (5 февраля 2021). Дата обращения: 1 февраля 2021. 5 февраля 2021 года.
  30. , p. 142.
  31. Gardner, Martin. . — Courier Corporation , 2005-06-24. — P. 217—218. — ISBN 9780486442440 . от 6 мая 2021 на Wayback Machine
  32. (англ.) . Дата обращения: 19 апреля 2021. 19 апреля 2021 года.
  33. (англ.) (19 мая 2015). Дата обращения: 19 апреля 2021. 21 июля 2019 года.
  34. (англ.) (1 марта 2021). Дата обращения: 19 апреля 2021. 11 сентября 2018 года.
  35. Sutton, Christine (англ.) (20 июля 1998). Дата обращения: 19 апреля 2021. 19 апреля 2021 года.
  36. (англ.) . The Nobel Foundation . Дата обращения: 6 мая 2021. 7 марта 2018 года.
Источник —

Same as Опыт Ву