Wu deneyi - Wu experiment

Wu deneyine adını veren Chien-Shiung Wu , deneyi tasarladı ve 1956'da paritenin korunumu testini yapan ekibe liderlik etti.

Wu deneyi bir oldu parçacık ve nükleer fizik tarafından 1956 yılında gerçekleştirilen deney Çinli Amerikalı fizikçi Chien-Shiung Wu ABD Düşük Sıcaklığı Grubu ile işbirliği içinde , Ulusal Standartlar Bürosu . Deneyin amacı, daha önce elektromanyetik ve güçlü etkileşimlerde kurulan parite korunumunun ( P- korunum) zayıf etkileşimlere de uygulanıp uygulanmadığını belirlemekti . P- korunum doğru olsaydı , dünyanın yansıtılmış bir versiyonu (sol sağ ve sağ sol) mevcut dünyanın ayna görüntüsü gibi davranırdı. Eğer P- korunum ihlal edilmiş olsaydı, o zaman dünyanın aynalanmış versiyonu ile mevcut dünyanın ayna görüntüsü arasında ayrım yapmak mümkün olurdu.

Deney , insan vücuduna atıfta bulunmadan sol ve sağı işlevsel olarak tanımlamanın bir yolunu sağlayarak , paritenin korunmasının zayıf etkileşim tarafından ihlal edildiğini ( P- ihlal ) ortaya koydu . Bu sonuç, daha önce pariteyi korunan bir nicelik olarak gören fizik topluluğu tarafından beklenmiyordu . Parite korunumsuzluğu fikrini ortaya atan ve deneyi öneren teorik fizikçiler Tsung-Dao Lee ve Chen-Ning Yang , bu sonuç için 1957 Nobel Fizik Ödülü'nü aldılar . Chien-Shiung Wu'nun keşifteki rolü Nobel ödülü kabul konuşmasında belirtilmişti, ancak ilk Kurt Ödülü'nü aldığı 1978'e kadar onurlandırılmadı .

Tarih

Üst: P- simetrisi: Yansıtılmış görüntüsü gibi oluşturulmuş bir saat, orijinal saatin yansıtılmış görüntüsü gibi davranacaktır.
Alt: P -asymmetry: Aynalı görüntü gibi yerleşik bir saat olacak değil orijinal saatinin yansıtılmış görüntü gibi davranırlar.

1927'de Eugene Wigner , paritenin korunumu ilkesini ( P- korunum), mevcut dünyanın ve onun ayna görüntüsü gibi inşa edilen birinin aynı şekilde davranacağı, tek farkla sol ve sağın tersine çevrileceği fikrini resmileştirdi. (örneğin, saat yönünde dönen bir saat, aynalı bir versiyonunu oluşturduysanız saat yönünün tersine döner).

Bu ilke fizikçiler tarafından geniş çapta kabul edildi ve P- korunum elektromanyetik ve güçlü etkileşimlerde deneysel olarak doğrulandı . Ancak, 1950'lerin ortalarından sırasında, karıştığı belli bozunumlarındaki kaon hangi varolan teorilerle açıklanamayacak P -conservation doğru olduğu kabul edilmiştir. İki kaon türleri ikiye çürümüş bir olmak gibiydi cular ve üç cular içine çürümüş olan diğer. Bu, τ–θ bulmacası olarak biliniyordu .

Teorik fizikçiler Tsung-Dao Lee ve Chen-Ning Yang , tüm temel etkileşimlerde parite korunumu sorusu üzerine bir literatür taraması yaptılar. Zayıf etkileşim durumunda, deneysel verilerin P- korunumunu ne doğruladığı ne de çürüttüğü sonucuna varmışlardır. Kısa bir süre sonra, beta bozunma spektroskopisi konusunda uzman olan Chien-Shiung Wu'ya deneyler için çeşitli fikirlerle yaklaştılar . Kobalt-60'ta beta bozunmasının yönsel özelliklerini test etme fikrine karar verdiler . Wu, çığır açan bir deneyin potansiyelini fark etti ve 1956 Mayıs'ının sonunda , fizik camiasının geri kalanını yumruklamak isteyen kocasıyla Cenevre ve Uzak Doğu'ya planladığı bir geziyi iptal ederek ciddi bir şekilde çalışmaya başladı . Yakın arkadaşı Wolfgang Pauli gibi çoğu fizikçi bunun imkansız olduğunu düşündü.

Wu, deneyini gerçekleştirmek için düşük sıcaklık fiziğinde geniş deneyime sahip Henry Boorse ve Mark W. Zemansky ile iletişime geçmek zorunda kaldı . Boorse ve Zemansky emriyle Wu temasa Ernest Ambler arasında , Ulusal Standartlar Bürosu deneyi de 1956 yılında yapılacak için düzenlenmiş, NBS 'düşük sıcaklık laboratuvarlarında. Teknik zorlukların üstesinden gelmek için birkaç ay çalıştıktan sonra, Wu'nun ekibi Aralık 1956'da parite ihlalini gösteren bir asimetri gözlemledi.

Wu deneyini başlatan Lee ve Yang, deney yapıldıktan kısa bir süre sonra 1957'de fizikte Nobel ödülüne layık görüldü. Wu'nun keşifteki rolü ödül kabul konuşmasında belirtilmişti, ancak 1978'de ilk Kurt Ödülü'nü aldığı zamana kadar onurlandırılmadı . Yakın arkadaşı Wolfgang Pauli'den Lee ve Yang'a kadar birçok kişi, 1988 Nobel Ödüllü Jack Steinberger'in bunu Nobel komitesinin tarihindeki en büyük hata olarak nitelendirmesiyle öfkelendi .

teori

Belirli bir etkileşim parite simetrisine uyuyorsa, bu, eğer sol ve sağ değiştirilirse, etkileşimin tam olarak değiş tokuştan önceki gibi davranacağı anlamına gelir. Bunun ifade edilmesinin bir başka yolu, yalnızca parite bakımından farklılık gösteren iki dünyanın inşa edildiğini hayal etmektir - "gerçek" dünya ve sol ve sağın yer değiştirdiği "ayna" dünya. Bir etkileşim parite simetrik ise, her iki "dünyada" aynı sonuçları üretir.

Wu'nun deneyinin amacı, kobalt-60'ın bozunma ürünlerinin tercihen bir yönde yayılıp yayılmadığına bakarak zayıf etkileşim için durumun böyle olup olmadığını belirlemekti. Bu, parite simetrisinin ihlali anlamına gelir çünkü zayıf etkileşim pariteyi koruyorsa, bozunma emisyonları her yöne eşit olasılıkla yayılmalıdır. Wu ve diğerleri tarafından belirtildiği gibi:

θ ve 180° −  θ arasındaki dağılımda bir asimetri gözlemlenirse (burada θ , ana çekirdeğin yönü ile elektronların momentumu arasındaki açıdır), beta bozunmasında paritenin korunmadığına dair kesin bir kanıt sağlar.

Bunun nedeni kobalt-60 çekirdeğinin spin taşıması ve spinin parite altında yön değiştirmemesidir (çünkü açısal momentum eksenel bir vektördür ). Bunun aksine, bozunma ürünleri yayılan bu yönde bir momentum çünkü parite altında değiştirilebilir polar vektör . Başka bir deyişle, "gerçek" dünyada, eğer kobalt-60 nükleer dönüşü ve bozunma ürünü emisyonlarının her ikisi de kabaca aynı yönde olsaydı, o zaman "ayna" dünyada bunlar kabaca zıt yönlerde olurdu çünkü emisyon yön çevrilebilirdi, ancak dönüş yönü çevrilmezdi.

Bu, her iki "dünya" arasındaki zayıf etkileşimin davranışında açık bir fark olacaktır ve bu nedenle zayıf etkileşimin parite simetrik olduğu söylenemez. Zayıf etkileşimin parite simetrik olabilmesinin tek yolu, emisyon yönünde bir tercih olmamasıdır, çünkü o zaman "ayna" dünyadaki emisyonlar yönünde bir dönüş "gerçek" dünyadan farklı görünmeyecektir çünkü orada zaten her iki yönde de eşit sayıda emisyon vardı.

Deney

Wu deneyi, 1956'da, Washington DC'deki Standartlar Bürosu düşük sıcaklık laboratuvarında gerçekleştirildi. Kobalt-60, dedektörler ve alan bobini içeren dikey vakum odası, büyük elektromıknatısa yerleştirilmeden önce bir Dewar'a yerleştiriliyor. adyabatik demanyetizasyon ile radyoizotopu mutlak sıfıra yakın soğutacak arka plan .

Deney, tek tip bir manyetik alan (polarizasyon alanı) tarafından hizalanan ve termal hareketlerin hizalamayı bozmaması için mutlak sıfıra yakın soğutulan kobalt-60 ( 60 Co) atomlarının bozunmasını izledi . Kobalt-60, beta bozunmasıyla kararlı izotop nikel-60'a ( 60 Ni) bozunan kararsız bir kobalt izotopudur . Bu bozunma sırasında , kobalt-60 çekirdeğindeki nötronlardan biri, bir elektron (e - ) ve bir elektron antinötrino ( ν e ) yayarak bir protona bozunur . Bununla birlikte ortaya çıkan nikel çekirdeği uyarılmış haldedir ve iki gama ışını (γ) yayarak derhal temel durumuna bozunur . Dolayısıyla reaksiyonun genel nükleer denklemi:

Gama ışınları fotonlardır ve nikel-60 çekirdeğinden salınmaları bir elektromanyetik (EM) işlemdir. Bu önemlidir, çünkü EM'nin parite korunumuna saygı duyduğu biliniyordu ve bu nedenle her yöne kabaca eşit olarak yayılacaklardı (kabaca "izotropik olarak" dağıtılacaklardı). Bu nedenle, yayılan elektronların dağılımı, yayılan gama ışınlarının dağılımı ile karşılaştırılabilir ve böylece onların da izotropik olarak yayınlanıp yayınlanmadığını karşılaştırabiliriz. Başka bir deyişle, gama ışınlarının dağılımı, yayılan elektronların dağılımı için bir kontrol görevi gördü. Yayılan gama ışınlarının bir diğer yararı da bunların hangi derecesi bilinmektedir olmasıydı değil (dağılımları "anizotropi") tüm yönlerde eşit olarak mükemmel dağıtılmış kobalt 60 çekirdekler hizalanmış ne kadar iyi belirlemek için kullanılabilir ( dönüşleri ne kadar iyi hizalanmış). Kobalt-60 çekirdekleri hiç hizalanmasaydı, elektron emisyonunun gerçekten nasıl dağıldığı önemli değil, deney tarafından saptanamazdı. Bunun nedeni, hizalanmamış bir çekirdek örneğinin rasgele yönlendirilmiş olması beklenebilir ve bu nedenle elektron emisyonları rastgele olacak ve deney, her bir çekirdekten yalnızca tek tek yayılıyor olsalar bile, tüm yönlerde eşit sayıda elektron emisyonu tespit edecekti. tek yön.

Deney daha sonra esasen gama ışınları ve elektronlar için iki farklı yöndeki emisyon oranını saydı ve değerlerini karşılaştırdı. Bu oran zamanla ve polarizasyon alanı zıt yönlere yönlendirilerek ölçülmüştür. Elektronların sayım oranları gama ışınlarınınkinden önemli ölçüde farklı olmasaydı, o zaman paritenin gerçekten zayıf etkileşim tarafından korunduğunu gösteren kanıtlar olurdu. Bununla birlikte, sayım oranları önemli ölçüde farklı olsaydı, o zaman zayıf etkileşimin gerçekten parite korumasını ihlal ettiğine dair güçlü kanıtlar olurdu.

Malzemeler ve yöntemler

Wu deneyinin şeması.

Bu deneydeki deneysel zorluk, 60 Co çekirdeğinin mümkün olan en yüksek polarizasyonunu elde etmekti . Elektronlara kıyasla çekirdeklerin çok küçük manyetik momentleri nedeniyle, son derece düşük sıcaklıklarda, tek başına sıvı helyum soğutmasıyla elde edilebilecekten çok daha düşük güçlü manyetik alanlar gerekliydi. Düşük sıcaklıklar, adyabatik demanyetizasyon yöntemi kullanılarak elde edildi . Radyoaktif kobalt, yüksek oranda anizotropik Landé g faktörüne sahip bir paramanyetik tuz olan seryum-magnezyum nitrat kristali üzerinde ince bir yüzey tabakası olarak biriktirildi .

Tuz, yüksek g faktörü ekseni boyunca manyetize edildi ve helyum düşük basınca pompalanarak sıcaklık 1.2 K'ye düşürüldü. Yatay manyetik alanın kapatılması, sıcaklığın yaklaşık 0,003 K'ye düşmesine neden oldu. Yatay mıknatıs açıldı ve kobalt çekirdeklerini yukarı veya aşağı hizalamak için dikey bir solenoidin yerleştirilmesine ve açılmasına izin verdi. Solenoidin manyetik alan oryantasyonu düşük g faktörü yönünde olduğundan, solenoid manyetik alan sıcaklıkta yalnızca ihmal edilebilir bir artışa neden oldu. 60 Co çekirdeğinin yüksek polarizasyonunu elde etmek için bu yöntem Gorter ve Rose tarafından ortaya atılmıştı.

Gama ışınlarının üretimi, polarizasyonun bir ölçüsü olarak ekvatoral ve polar sayaçlar kullanılarak izlendi. Gama ışını polarizasyonu, kristal ısındıkça ve anizotropi kayboldukça sonraki çeyrek saat boyunca sürekli olarak izlendi. Benzer şekilde, bu ısınma döneminde beta ışını emisyonları sürekli olarak izlendi.

Sonuçlar

Wu deneyinin sonucu, burada spin vektörü j olan bir kobalt atomu bir elektron e yayar .

Wu tarafından gerçekleştirilen deneyde, gama ışını anizotropisi yaklaşık olarak 0.6 idi. Yani gama ışınlarının yaklaşık %60'ı bir yönde, %40'ı ise diğer yönde yayılmıştır. Beta bozunmasında parite korunsaydı, yayılan elektronların nükleer dönüşe göre tercih edilen bir bozunma yönü olmazdı ve emisyon yönündeki asimetri gama ışınlarının değerine yakın olurdu. Bununla birlikte Wu, elektronların, gama ışını anizotropi değerinden önemli ölçüde daha büyük bir asimetri ile gama ışınlarınınkine tercihen zıt bir yönde yayıldığını gözlemledi. Yani, elektronların çoğu, özellikle nükleer dönüşün tersine, çok özel bir bozunma yönünü tercih etti. Gözlenen elektron asimetrisi, polarizasyon alanı tersine çevrildiğinde de işaret değiştirmedi; bu, asimetrinin numunelerdeki kalıcı mıknatıslanmadan kaynaklanmadığı anlamına gelir . Daha sonra parite ihlalinin aslında maksimum olduğu tespit edildi.

Sonuçlar fizik camiasını büyük ölçüde şaşırttı. Birkaç araştırmacı daha sonra Wu'nun grubunun sonuçlarını yeniden oluşturmak için çabalarken, diğerleri sonuçlara inanmayarak tepki gösterdi. Wolfgang Pauli , NBS'de de çalışmış olan Georges M. Temmer tarafından parite korunumunun artık her durumda doğru kabul edilemeyeceği konusunda bilgilendirildiğinde , "Bu tamamen saçmalık!" diye haykırdı. Temmer ona, deneyin sonucunun durumun böyle olduğunu doğruladığı konusunda güvence verdi ve Pauli, "O halde tekrarlanmalı!" diye kısa bir cevap verdi. 1957'nin sonunda, daha fazla araştırma Wu'nun grubunun orijinal sonuçlarını doğruladı ve P ihlali kesin olarak belirlendi.

Mekanizma ve sonuçları

Feynmann şeması için
β-
 a çürüme nötron bir içine proton , elektron ve elektron antineutrino üzerinden bir ara
W-
bozon .

Wu deneyinin sonuçları, sol ve sağ kavramını işlevsel olarak tanımlamanın bir yolunu sağlar . Bu, zayıf etkileşimin doğasında vardır. Daha önce, Dünya'daki bilim adamları, yeni keşfedilen bir gezegenin bilim adamı ile iletişim kuracak olsalardı ve şahsen hiç tanışmamış olsalardı, her grubun diğer grubun solunu ve sağını kesin olarak belirlemesi mümkün olmazdı. Wu deneyi ile diğer gruba sol ve sağ kelimelerinin tam ve açık bir şekilde ne anlama geldiğini iletmek mümkündür. Wu deneyi sonunda, bilimsel olarak sol ve sağın açık bir tanımını veren Ozma problemini çözdü .

En temel seviye (tasvir edildiği gibi Feynmann diyagram sağda), Beta çürümesi negatif yüklü dönüştürülmesi (kaynaklanır - 1/3 e ) aşağı kuark Pozitif yüklü (üzere +2/3e ) a'nın emisyonu ile yukarı kuark
W-
bozon ; NS
W-
 bozon daha sonra bir elektrona ve bir elektron antinötrinosuna bozunur:


NS
 →
sen
 +
e-
 +
ν
e.

Kuarkın bir sol kısmı ve bir sağ kısmı vardır. Uzay-zaman boyunca yürürken, sağdan sola ve soldan sağa doğru ileri geri salınım yapar. Wu deneyinin eşlik ihlali gösterimini analiz ederek, aşağı kuarkların yalnızca sol kısmının bozunduğu ve zayıf etkileşimin kuarkların ve leptonların yalnızca sol kısmını (veya antikuarkların ve antileptonların sağ kısmını) içerdiği çıkarılabilir. Parçacığın sağ kısmı, zayıf etkileşimi hissetmez. Aşağı kuarkın kütlesi olmasaydı salınım yapmazdı ve sağ tarafı kendi başına oldukça kararlı olurdu. Ancak aşağı kuark kütleli olduğu için salınım yapar ve bozunur.

Genel olarak , güçlü manyetik alan dikey olarak polarize olur.60
27ortak
çekirdekler öyle . Çürüme açısal momentumu koruduğundan beri , bunu ima eder . Böylece, negatif-z yönündeki beta ışınlarının konsantrasyonu, solak kuarklar ve elektronlar için bir tercihi gösterdi.

Wu deneyi ve Goldhaber deneyi gibi deneylerden kütlesiz nötrinoların solak, kütlesiz antinötrinoların ise sağlak olması gerektiği belirlendi. Şu anda nötrinoların küçük bir kütleye sahip olduğu bilindiğinden, sağ-elli nötrinoların ve sol-elli antinötrinoların var olabileceği öne sürülmüştür. Bu nötrinolar, zayıf Lagrange ile çiftleşmeyecek ve yalnızca kütleçekimsel olarak etkileşerek muhtemelen evrendeki karanlık maddenin bir bölümünü oluşturacaktır .

Etki ve etki

Model , parçacıkların ve kuvvetlerin simetrisi ve parçacıkların bazen bu simetriyi nasıl kırabileceği fikrine dayandığından, keşif standart modelin geliştirilmesi için zemin hazırladı. Keşfinin geniş kapsamı, fisyon kaşifi Otto Robert Frisch'i Princeton'daki insanların sık sık onun keşfinin Einstein'ın görelilik teorisine ilham veren Michelson-Morley deneyinden bu yana en önemli şey olduğunu söylemesine neden oldu . İken AAUW biliminde büyük bulmacanın çözümü denir. Zayıf etkileşimin diğer üç geleneksel etkileşim kuvvetinden ayırt edici özelliğini göstermenin ötesinde , bu sonuçta genel CP İhlali'ne veya yük konjugasyon parite simetrisinin ihlaline yol açtı. Bu ihlal, araştırmacıların maddeyi antimaddeden ayırt edebilecekleri ve bir çözüm yaratabilecekleri anlamına geliyordu. Evrenin varlığını madde ile dolu bir varlık olarak açıklar. Bunun nedeni, simetri eksikliğinin, maddenin bugün Büyük Patlama yoluyla var olmasına izin verecek olan madde-antimadde dengesizliği olasılığını vermesidir . Teorik çalışmaları nedeniyle, Lee ve Yang 1957'de Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü . Etkisini daha fazla alıntılamak için, Nobel ödüllü Abdus Salam şöyle bir espri yaptı:

"Herhangi bir klasik yazar, yalnızca sol gözü olan devleri ( kiklops ) düşünmüş olsaydı. [Biri] tek gözlü devlerin tanımlandığını ve bana tam bir liste sağladığını kabul ederdi; ama her zaman alnın ortasında tek göz. Bana göre uzayın zayıf bir sol gözlü dev olduğunu bulduk."

Wu'nun keşfi, Salam'ın kanıtladığı, teorik olarak tamamen yeni bir model ve bir Büyük Birleşik Teori oluşturmak için güçlü kuvvetle birleşeceği açıklanan birleşik bir elektrozayıf kuvvetin yolunu açacaktı .

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma