Experiencia wu

El Experimento Wu es un experimento de física de partículas y física nuclear realizado en 1956 por el físico chino y estadounidense Jianxiong Wu en colaboración con el Laboratorio de Baja Temperatura de la Oficina Nacional de Normas de EE . UU. [1] [2] . El propósito del experimento fue establecer si la paridad ( P -parity [3] ), que se había establecido previamente en interacciones electromagnéticas y fuertes , también se conserva para la interacción débil o no. Si la paridad P fuera una verdadera cantidad conservada, entonces la versión especular del mundo (donde la izquierda se reemplaza por la derecha y la derecha por la izquierda) se comportaría como una imagen especular del mundo real. Si se violara la paridad P , sería posible distinguir entre una versión especular del mundo y una imagen especular del mundo real. El experimento consistió en observar la distribución de las direcciones de emisión de electrones de los núcleos de cobalto-60 durante la desintegración beta en condiciones de muy baja temperatura y un fuerte campo magnético. Reveló una asimetría en la distribución de partículas beta emitidas por una fuente de radiación.

Los resultados del experimento mostraron que la preservación de la paridad espacial se viola debido a una interacción débil, lo que conduce a la capacidad de determinar rápidamente la izquierda y la derecha sin referencia a los objetos macro del mundo real. Este resultado no se esperaba en la comunidad física, que solía considerar la paridad como una cantidad conservada . Zhengdao Li y Zhenning Yang , los físicos teóricos que fueron pioneros en la idea de la no conservación de la paridad y propusieron este experimento, recibieron el Premio Nobel de Física de 1957 por su trabajo teórico . El papel de Wu Jianxiong en el descubrimiento se mencionó en un discurso del Nobel [4], pero no se mencionó hasta 1978, cuando recibió por primera vez el Premio Wolf .

Historia

En 1927, Eugene Wigner formalizó el principio de conservación de la paridad ( P -paridad) [5] : la idea de que el mundo real y el mundo construido como su imagen especular se comportarán de la misma manera, con la única diferencia de que la izquierda y la derecha serán iguales. al revés (por ejemplo, un reloj que va en el sentido de las agujas del reloj girará en el sentido contrario a las agujas del reloj, en un mundo de espejos).

Este principio ha sido ampliamente aceptado por los físicos, y la conservación de la paridad P se ha confirmado experimentalmente en interacciones electromagnéticas y fuertes . Sin embargo, a mediados de la década de 1950, algunas desintegraciones relacionadas con los kaones no pudieron explicarse con las teorías existentes, que suponían que se conservaba la paridad P. Parecía haber dos tipos de kaones, uno que se descomponía en dos piones y el otro en tres piones. Este efecto se denomina paradoja τ-θ [6] [7] .

Zhengdao Li y Zhenning Yang fueron pioneros en la idea de la no conservación de la paridad. Revisaron la literatura sobre el tema de la conservación de la paridad en todas las interacciones fundamentales y llegaron a la conclusión de que, en el caso de una interacción débil, los datos experimentales no confirman ni refutan la presencia de simetría P [8] [9] . Poco después, se acercaron a Jianxiong Wu, un experto en espectroscopia de desintegración beta , con varias ideas para experimentos. Se decidieron por la idea de probar la direccionalidad de la desintegración beta en cobalto-60 . Wu reconoció el potencial de un experimento revolucionario y, queriendo adelantarse al resto de la comunidad física, comenzó a trabajar a fines de mayo de 1956, cancelando un viaje planeado a Ginebra y el Lejano Oriente con su esposo. La mayoría de los físicos, incluido su amigo cercano Wolfgang Pauli , consideraban esto imposible [10] . Otro científico famoso, Richard Feynman , hizo una apuesta de 10.000 a 1 con el físico Norman Ramsay de que el experimento fracasaría; al enterarse de sus resultados, negoció cincuenta dólares, suma que luego pagaría a Ramsay en la Conferencia de Rochester [11] [12] .

Wu tuvo que ponerse en contacto con Henry Burs y Mark Zemansky , que tenían una amplia experiencia en física de bajas temperaturas , para realizar su experimento. A pedido de Burs y Zemansky, Wu contactó a Ernest Ambler de la Oficina Nacional de Normas para ayudar a organizar un experimento que se llevaría a cabo en 1956 en el Laboratorio de Baja Temperatura de la Oficina Nacional de Normas [6] . En diciembre de 1956, después de varios meses de trabajo y de superar dificultades técnicas, el equipo de Wu encontró una asimetría que indicaba una violación de la paridad [13] .

Li y Yang, quienes iniciaron el experimento de Wu, recibieron el Premio Nobel de Física en 1957 por su trabajo teórico, poco después del experimento. El papel de Wu en el descubrimiento se mencionó en un discurso en la ceremonia de premiación [4] . Wolfgang Pauli, Young, Lee y muchos otros científicos se sintieron indignados por esta decisión del Comité del Nobel, y el ganador del Premio Nobel de 1988, Jack Steinberger , lo calificó como el mayor error en la historia del Comité del Nobel [14] . En 1978, Wu recibió el primer Premio Wolf [15] .

Teoría

Si una interacción particular conserva la simetría P , esto significa que si se intercambian izquierda y derecha, la interacción se comportará exactamente igual que antes del intercambio. En otras palabras, uno puede imaginar que se construyen dos mundos que difieren solo en la paridad: el mundo "real" y el mundo "espejo", donde la izquierda y la derecha están invertidas. Si la interacción es simétrica con respecto a la paridad espacial, entonces conduce a los mismos resultados en ambos "mundos" [1] .

El propósito del experimento de Wu fue determinar si la paridad P se conserva o se rompe en la interacción débil mediante el examen de la dirección del movimiento de los productos de desintegración del cobalto-60. Si el decaimiento procedió en una dirección preferida, entonces esto significaría una violación de la paridad, porque si la fuerza débil conservó la paridad, entonces los productos del decaimiento deberían emitirse con igual probabilidad en todas las direcciones. Como Wu et al escribieron [1] :

Si hay una asimetría en la distribución entre θ y 180°−θ (donde θ es el ángulo entre la orientación de los núcleos principales y el momento de los electrones), esto proporciona una evidencia inequívoca de que la paridad no se conserva en la desintegración beta.

Texto original (inglés)[ mostrarocultar] Si se observa una asimetría en la distribución entre θ y 180° − θ (donde θ es el ángulo entre la orientación de los núcleos principales y el momento de los electrones), proporciona una prueba inequívoca de que la paridad no se conserva en la desintegración beta.

La razón de esto es que el núcleo de cobalto-60 tiene un giro , y el giro no cambia su dirección cuando cambia la paridad, ya que el momento angular es un vector axial . Por otro lado, la dirección en la que los productos de desintegración se separan depende de la paridad, ya que la cantidad de movimiento es un vector polar . En otras palabras, si en el mundo “real” el espín nuclear del cobalto-60 y la expansión de los productos de desintegración estarían aproximadamente en la misma dirección, entonces en el mundo “espejo” estarían aproximadamente en direcciones opuestas, porque la dirección de expansión de los productos de descomposición cambiaría, y la dirección de giro - no [16] .

Esto mostrará una clara diferencia en el comportamiento de la interacción débil en ambos "mundos" y, por lo tanto, la interacción débil no puede llamarse simétrica con respecto a la paridad. La única forma en que la fuerza débil podría resultar ser simétrica en paridad era si no hubiera preferencia en la dirección de las partículas resultantes, porque entonces el cambio de dirección en el mundo "espejo" no se vería diferente que en el mundo "real". , porque allí, en cualquier caso, había una cantidad igual de productos de descomposición dispersos en ambas direcciones [16] .

Experimento

El experimento rastreó la descomposición de los átomos de cobalto-60 ( 60 Co), cuyos espines se alinearon mediante un campo magnético uniforme (campo de polarización) y se enfriaron casi hasta el cero absoluto , de modo que las fluctuaciones térmicas no perturbaron la alineación de los espines [17] . El cobalto-60 es un isótopo inestable de cobalto que se desintegra a través de la desintegración beta al isótopo estable níquel-60 ( 60Ni ). Durante esta desintegración, uno de los neutrones del núcleo de cobalto-60 se desintegra en un protón , emitiendo un electrón (e − ) y un electrón antineutrino ( ν e ). El núcleo de níquel resultante, sin embargo, está en un estado excitado y rápidamente pasa a su estado fundamental, emitiendo dos cuantos de rayos gamma (γ). De ahí la ecuación general para una reacción nuclear:

{}_{27}^{60}{\text{Co}}\rightarrow {}_{28}^{60}{\text{Ni}}+e^{-}+{\bar { \nu }}_{e}+2{\gamma }

Los rayos gamma son fotones, por lo que su emisión desde un núcleo de níquel-60 es un proceso electromagnético . Esto es importante porque se sabe que los procesos electromagnéticos conservan la paridad y, por lo tanto, irradian aproximadamente lo mismo en todas las direcciones, es decir, su distribución es aproximadamente "isotrópica". Por lo tanto, la distribución de electrones emitidos se puede comparar con la distribución de rayos gamma emitidos para establecer si también se emiten isotrópicamente. En otras palabras, la distribución de rayos gamma sirvió como experimento de control para comparar con la distribución de electrones emitidos. Otra ventaja de los rayos gamma emitidos era saber hasta qué punto no estaban distribuidos perfectamente uniformemente en todas las direcciones (la "anisotropía" de su distribución), y podían usarse para determinar el grado de alineación de los espines nucleares del cobalto. 60 Si los núcleos de cobalto-60 no estuvieran alineados en absoluto, independientemente de la distribución de emisión de electrones, el experimento no revelaría anisotropía. Esto se debe a la orientación arbitraria de los núcleos, en cuyo caso la emisión de electrones será aleatoria y el experimento detectará un número igual de electrones en todas las direcciones, incluso si son emitidos por cada núcleo individual en una sola dirección [ 18] .

Luego, en el experimento, se calculó la velocidad de emisión de los cuantos gamma y electrones en dos direcciones diferentes y se compararon sus valores. Esta velocidad se midió en función del tiempo y con el campo polarizador orientado en direcciones opuestas. Si las tasas de conteo de electrones no difieren significativamente de las de los rayos gamma, esto sería evidencia de la conservación de la paridad P debido a la interacción débil. Sin embargo, si las tasas de conteo difieren significativamente, entonces habrá una fuerte evidencia de que la paridad P se viola en la interacción débil [1] [7] .

Materiales y métodos

El objetivo de este experimento era obtener la máxima polarización posible de los núcleos de 60Co . Debido a los momentos magnéticos muy pequeños de los núcleos en comparación con los electrones, se requerían fuertes campos magnéticos a temperaturas extremadamente bajas, mucho más bajas que las que se podrían lograr enfriando solo con helio líquido. Se han logrado bajas temperaturas por el método de desmagnetización adiabática . El cobalto radiactivo se depositó como una fina capa superficial sobre un cristal de nitrato de cerio y magnesio, una sal paramagnética con un factor g de Lande altamente anisotrópico [1] [2] .

La sal se magnetizó a lo largo del eje, que tenía un factor g grande, y la temperatura se redujo a 1,2 K bombeando vapor de helio a baja presión. Apagar el campo magnético horizontal redujo la temperatura a aproximadamente 0,003 K. El imán horizontal estaba abierto, dejando espacio para un solenoide vertical que podía insertarse y encenderse para igualar los momentos magnéticos ascendentes o descendentes de los núcleos de cobalto [2] . El campo magnético del solenoide solo aumentó ligeramente la temperatura, ya que la orientación del campo magnético del solenoide estaba en la dirección del factor g bajo. Este método para lograr una alta polarización de los núcleos de 60Co fue inventado por Gorter [19] y Rose [20] .

La detección de rayos gamma se controló utilizando contadores ecuatoriales y polares utilizados para medir la polarización. La polarización de la radiación gamma se controló continuamente durante los siguientes 15 minutos a medida que el cristal se calentaba y desaparecía la anisotropía. De manera similar, la radiación beta fue monitoreada continuamente durante el período de calentamiento [1] .

Resultados obtenidos

En el experimento realizado por Wu se observó anisotropía de la radiación gamma, así como anisotropía de la radiación beta hasta que el sistema se calentó (unos 6 minutos) cuando desaparecieron ambas anisotropías. Si se conservara la paridad durante la desintegración beta, los electrones emitidos no tendrían una dirección de desintegración preferida en relación con la orientación del espín nuclear, y la asimetría en la dirección de expansión sería cercana al valor de los rayos gamma. Sin embargo, Wu notó que los electrones eran emitidos en una dirección preferentemente opuesta a la de los rayos gamma, es decir, tenía signo negativo. Es decir, la mayoría de los electrones tenían una dirección de expansión muy específica, directamente opuesta al espín nuclear [21] . La asimetría electrónica observada tampoco cambió de signo cuando se invirtió el campo de polarización, lo que significa que la asimetría no fue causada por la magnetización remanente en las muestras. Posteriormente se constató que la violación de la paridad era máxima [6] [22] .

Los resultados sorprendieron enormemente a la comunidad física. Luego, varios investigadores intentaron replicar los resultados del grupo de Wu [23] [24] , mientras que otros reaccionaron a los resultados con incredulidad. Wolfgang Pauli , habiendo recibido un mensaje de Georges M. Temmer , quien también trabajaba en la Oficina Nacional de Normas, de que la conservación de la paridad ya no podía considerarse verdadera en todos los casos, exclamó: "¡Eso es una completa tontería!". Temmer le aseguró que el resultado del experimento confirmó que así era, a lo que Pauli respondió secamente: "¡Entonces hay que repetirlo!". [6] . A finales de 1957, investigaciones posteriores confirmaron los resultados originales del grupo de Wu y se estableció firmemente la violación de la paridad P [23] .

Mecanismo y consecuencias

Los resultados del experimento de Wu nos permiten definir rápidamente los conceptos de izquierda y derecha. Esta diferencia es inherente a la naturaleza de la interacción débil. Anteriormente, si los científicos de la Tierra interactuaban con los científicos de un planeta recién descubierto y nunca se conocían en persona, cada grupo no podía identificar sin ambigüedades los lados izquierdo y derecho del otro grupo. El experimento de Wu puede decirle al otro grupo que las palabras "izquierda" y "derecha" se definen con precisión y sin ambigüedades. El experimento de Wu finalmente resolvió el problema de Ozma , que consiste en dar una definición inequívoca de izquierda y derecha desde un punto de vista científico [25] .

En un nivel fundamental (como se muestra en el diagrama de Feynman a la derecha), el decaimiento beta es causado por la transformación de carga negativa ( −una3 e ) quarks a través de la emisión de un bosón W con su posterior decaimiento en un electrón y un antineutrino:

re → tu + mi - + v
mi.

Un quark tiene una parte izquierda (quiralidad negativa) y una parte derecha (quiralidad positiva). A medida que se mueve a través del espacio-tiempo, oscila entre estos estados, yendo de derecha a izquierda y viceversa. Del análisis de la demostración de la violación de la paridad P en el experimento de Wu, podemos concluir que solo los quarks izquierdos hacia abajo se desintegran, y solo los quarks izquierdos y los leptones (o antiquarks y antileptones derechos) están involucrados en la interacción débil. Las partículas correctas simplemente no participan en la interacción débil. Si el quark down no tuviera masa, entonces no oscilaría y su estado levógiro sería bastante estable en sí mismo. Sin embargo, dado que el quark down es masivo, oscila y se desintegra [26] .

En general, dado que (en unidades atómicas , P significa paridad), entonces un fuerte campo magnético polariza verticalmente $J_{\text{Co}}^{P}=5^{+}$ ${\ estilo de visualización \ hbar = 1}$ 60
27Co son núcleos de tal manera que . Dado que el decaimiento también conserva el momento angular , se sigue de [27] . Así, la concentración de rayos beta en la dirección z negativa indicaba la aparición de quarks izquierdos y electrones. A partir de experimentos como el experimento de Wu y el experimento de Goldhaber , se ha demostrado que los neutrinos sin masa deben ser de mano izquierda y los antineutrinos sin masa deben ser de mano derecha [28] . Dado que ahora se sabe que los neutrinos tienen poca masa, se ha sugerido que también pueden existir neutrinos dextrógiros y antineutrinos dextrógiros. Estos neutrinos no interactuarán con la interacción débil Lagrangiana y participarán únicamente en la interacción gravitatoria, posiblemente formando parte de la materia oscura del Universo [29] . $J_{z,{\text{Co}}}^{P}=J_{\text{Co}}^{P}=5^{+}$ $J_{\text{Ni}}^{P}=4^{+}$ $J_{z,{\text{Co}}}^{P}=J_{z,{\text{Ni}}}^{P}+J_{z,e^{-}}^{P }+J_{z,{\bar {\nu}}}^{P}=5^{+}$ $J_{z,e^{-}}^{P}=J_{z,\nu }^{P}=1/2^{+}$

Influencia

El descubrimiento de Wu sentó las bases para el desarrollo del modelo estándar , ya que el modelo se basó en la idea de la simetría de las partículas, las fuerzas y cómo las partículas a veces pueden romper esa simetría [30] [31] . La amplia cobertura de este descubrimiento hizo que el pionero de la descomposición atómica, Otto Robert Frisch , mencionara que la gente de Princeton solía decir que el descubrimiento de Wu era el más significativo desde el experimento de Michelson , que inspiró la teoría de la relatividad de Einstein [32] , mientras que la asociación estadounidense AAUW llamó a este descubrimiento la solución al mayor enigma de la física nuclear [33] . Además de demostrar la característica distintiva de la fuerza débil de las otras tres fuerzas fundamentales de interacción, la investigación adicional finalmente condujo a una violación general de CP, o ruptura de la simetría de conjugación de carga [34] . Esta violación significó que los investigadores pudieran distinguir la materia de la antimateria y encontrar una solución que explicara por qué el universo está lleno solo de materia y no de antimateria [35] . Esto se debe a que la falta de simetría habría hecho posible que existiera un desequilibrio de materia y antimateria , lo que habría permitido que la materia exista hoy debido al Big Bang [36] . Lee y Yang recibieron el Premio Nobel de Física en 1957 en reconocimiento a su trabajo teórico [37] . Abdus Salam le preguntó a su colega que estudia literatura clásica [32] :

¿Hay algún escritor antiguo que haya considerado gigantes con solo el ojo izquierdo? Confesó que se habían descrito gigantes de un solo ojo y me proporcionó una lista completa de ellos; pero siempre [como los cíclopes <..>] lucen su ojo solitario en medio de la frente. Descubrimos que el mundo es un gigante débil con un ojo izquierdo".

Texto original (inglés)[ mostrarocultar] Si algún escritor clásico hubiera considerado alguna vez gigantes con solo el ojo izquierdo. Confesó que se han descrito gigantes de un solo ojo y me proporcionó una lista completa de ellos; pero siempre [como Cyclops <..>] lucen su ojo solitario en medio de la frente. Lo que hemos encontrado es que el espacio es un débil gigante de ojos izquierdos.

Notas

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