El experimento de Wu fue un experimento de física nuclear y de partículas realizado en 1956 por el físico chino-estadounidense Chien-Shiung Wu en colaboración con el Grupo de Baja Temperatura de la Oficina Nacional de Normas de Estados Unidos . [1] El propósito del experimento era establecer si la conservación de la paridad ( P -conservación), que se estableció previamente en las interacciones electromagnéticas y fuertes , también se aplicaba a las interacciones débiles . Si P Si la conservación fuera cierta, una versión reflejada del mundo (donde la izquierda es derecha y la derecha es izquierda) se comportaría como la imagen reflejada del mundo actual. Si se violara la conservación P , entonces sería posible distinguir entre una versión reflejada del mundo y la imagen reflejada del mundo actual.
El experimento estableció que la conservación de la paridad fue violada ( P- violación) por la interacción débil, proporcionando una forma de definir operativamente la izquierda y la derecha sin hacer referencia al cuerpo humano. Este resultado no era esperado por la comunidad de físicos, que previamente había considerado la paridad como una cantidad conservada . Tsung-Dao Lee y Chen-Ning Yang , los físicos teóricos que originaron la idea de la no conservación de la paridad y propusieron el experimento, recibieron el Premio Nobel de Física de 1957 por este resultado. El papel de Chien-Shiung Wu en el descubrimiento se mencionó en el discurso de aceptación del premio Nobel, [2] pero no fue honrado hasta 1978, cuando recibió el primer Premio Wolf .
Historia
En 1927, Eugene Wigner formalizó el principio de conservación de la paridad ( P -conservación), [3] la idea de que el mundo actual y uno construido como su imagen especular se comportarían de la misma manera, con la única diferencia de que izquierda y derecha. se invertiría (por ejemplo, un reloj que gira en el sentido de las agujas del reloj giraría en el sentido contrario a las agujas del reloj si construyes una versión reflejada).
Este principio fue ampliamente aceptado por los físicos, y la conservación de P se verificó experimentalmente en las interacciones electromagnéticas y fuertes . Sin embargo, a mediados de la década de 1950, ciertas desintegraciones que involucran kaones no podían explicarse por las teorías existentes en las que se suponía que la conservación de P era cierta. Parecía haber dos tipos de kaones, uno que se descomponía en dos piones y el otro que se descomponía en tres piones. Esto se conocía como el rompecabezas τ – θ . [4]
Los físicos teóricos Tsung-Dao Lee y Chen-Ning Yang hicieron una revisión de la literatura sobre la cuestión de la conservación de la paridad en todas las interacciones fundamentales. Llegaron a la conclusión de que en el caso de la interacción débil, los datos experimentales no confirmaron ni refutaron la conservación de P. [5] Poco después, se acercaron a Chien-Shiung Wu , que era un experto en espectroscopia de desintegración beta , con varias ideas para experimentos. Se decidieron por la idea de probar las propiedades direccionales de la desintegración beta en el cobalto-60 . Wu se dio cuenta del potencial de un experimento revolucionario y comenzó a trabajar en serio a fines de mayo de 1956, cancelando un viaje planeado a Ginebra y el Lejano Oriente con su esposo, con el deseo de vencer al resto de la comunidad de la física. La mayoría de los físicos, como el amigo íntimo Wolfgang Pauli, pensaron que era imposible. [6] [7] [8] [9]
Wu tuvo que ponerse en contacto con Henry Boorse y Mark W. Zemansky , que tenían una amplia experiencia en física de bajas temperaturas , para realizar su experimento. A instancias de Boorse y Zemansky, Wu se puso en contacto con Ernest Ambler , de la Oficina Nacional de Normas , quien organizó el experimento para que se llevara a cabo en 1956 en los laboratorios de baja temperatura de la NBS . [4] Después de varios meses de trabajo para superar las dificultades técnicas, el equipo de Wu observó una asimetría que indica una violación de la paridad en diciembre de 1956. [10]
Lee y Yang, quienes impulsaron el experimento de Wu, recibieron el premio Nobel de física en 1957, poco después de que se realizara el experimento. El papel de Wu en el descubrimiento se mencionó en el discurso de aceptación del premio, [2] pero no fue honrado hasta 1978, cuando recibió el Premio Wolf inaugural . [11] Muchos se sintieron indignados, desde su amigo cercano Wolfgang Pauli hasta Lee y Yang, y el premio Nobel de 1988 Jack Steinberger lo calificó como el mayor error en la historia del comité del Nobel. [12]
Teoría
Si una interacción particular respeta la simetría de paridad, significa que si se intercambiaran la izquierda y la derecha, la interacción se comportaría exactamente como lo hacía antes del intercambio. Otra forma de expresar esto es imaginar que se construyen dos mundos que se diferencian sólo por la paridad: el mundo "real" y el mundo "espejo", donde se intercambian la izquierda y la derecha. Si una interacción es simétrica por paridad, produce los mismos resultados en ambos "mundos". [1]
El objetivo del experimento de Wu era determinar si este era el caso de la interacción débil al observar si los productos de desintegración del cobalto-60 se emitían preferentemente en una dirección o no. Esto significaría la violación de la simetría de paridad porque si la interacción débil conservara la paridad, las emisiones de desintegración deberían emitirse con la misma probabilidad en todas las direcciones. Según lo declarado por Wu et al .: [1]
Si se observa una asimetría en la distribución entre θ y 180 ° - θ (donde θ es el ángulo entre la orientación de los núcleos parentales 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 transporta espín , y el espín no cambia de dirección bajo paridad (porque el momento angular es un vector axial ). A la inversa, la dirección en la que los productos de desintegración se emiten se cambió bajo paridad, porque el impulso es un vector polar . En otras palabras, en el mundo "real", si el espín nuclear del cobalto-60 y las emisiones del producto de desintegración estuvieran ambos aproximadamente en la misma dirección, entonces en el mundo "espejo" estarían en direcciones aproximadamente opuestas, porque la emisión la dirección se habría invertido, pero la dirección de giro no. [13]
Esta sería una clara diferencia en el comportamiento de la interacción débil entre ambos "mundos" y, por lo tanto, no se podría decir que la interacción débil sea simétrica por paridad. La única forma en que la interacción débil podría ser simétrica de paridad es si no hubiera preferencia en la dirección de emisión, porque entonces un cambio en la dirección de las emisiones en el mundo "espejo" no se vería diferente al mundo "real" porque no eran iguales números de emisiones en ambas direcciones de todos modos.
Experimentar
El experimento monitoreó la desintegración de los átomos de cobalto-60 ( 60 Co) que estaban alineados por un campo magnético uniforme (el campo de polarización) y enfriados hasta cerca del cero absoluto para que los movimientos térmicos no arruinaran la alineación. [14] El cobalto-60 es un isótopo inestable de cobalto que se desintegra por desintegración beta al isótopo estable níquel-60 ( 60 Ni). Durante esta desintegración, uno de los neutrones del núcleo de cobalto-60 se desintegra en un protón al emitir un electrón (e - ) y un electrón antineutrino ( ν e ). El núcleo de níquel resultante, sin embargo, está en un estado excitado y rápidamente decae a su estado fundamental al emitir dos rayos gamma (γ). Por lo tanto, la ecuación nuclear general de la reacción es:
Los rayos gamma son fotones y su liberación del núcleo de níquel-60 es un proceso electromagnético (EM). Esto es importante porque se sabía que los ME respetaban la conservación de la paridad y, por lo tanto, se emitirían aproximadamente por igual en todas las direcciones (se distribuirían aproximadamente "isotrópicamente"). Por lo tanto, la distribución de los electrones emitidos podría compararse con la distribución de los rayos gamma emitidos para comparar si ellos también se emitían de forma isotrópica. En otras palabras, la distribución de los rayos gamma actuó como un control de la distribución de los electrones emitidos. Otro de los beneficios de los rayos gamma emitidos fue que se sabía que el grado en el que fueron no distribuyen perfectamente igual en todas direcciones (la "anisotropía" de su distribución) se podría utilizar para determinar qué tan bien se han alineado los de cobalto-60 núcleos (qué tan bien se alinearon sus giros ). [15] Si los núcleos de cobalto-60 no estuvieran alineados en absoluto, entonces, sin importar cómo se distribuyera realmente la emisión de electrones, el experimento no lo detectaría. Esto se debe a que se podría esperar que una muestra no alineada de núcleos se orientara aleatoriamente y, por lo tanto, las emisiones de electrones serían aleatorias y el experimento detectaría el mismo número de emisiones de electrones en todas las direcciones, incluso si se emitieran desde cada núcleo individual en solo una sola dirección.
Luego, el experimento esencialmente contó la tasa de emisión de rayos gamma y electrones en dos direcciones distintas y comparó sus valores. Esta tasa se midió a lo largo del tiempo y con el campo de polarización orientado en direcciones opuestas. Si las velocidades de recuento de los electrones no diferían significativamente de las de los rayos gamma, entonces habría habido evidencia que sugiriera que la paridad se conservó de hecho por la interacción débil. Sin embargo, si las tasas de recuento fueran significativamente diferentes, entonces habría pruebas sólidas de que la interacción débil sí viola la conservación de la paridad.
Materiales y métodos
El desafío experimental en este experimento fue obtener la mayor polarización posible de los núcleos de 60 Co. Debido a los momentos magnéticos muy pequeños de los núcleos en comparación con los electrones, se requerían campos magnéticos fuertes a temperaturas extremadamente bajas, mucho más bajas de lo que se podría lograr con el enfriamiento con helio líquido solo. Las bajas temperaturas se consiguieron mediante el método de desmagnetización adiabática . El cobalto radiactivo se depositó como una capa superficial delgada sobre un cristal de nitrato de cerio y magnesio, una sal paramagnética con un factor g de Landé altamente anisotrópico .
La sal se magnetizó a lo largo del eje del factor g alto y la temperatura se redujo a 1,2 K bombeando el helio a baja presión. Al apagar el campo magnético horizontal, la temperatura disminuyó a aproximadamente 0,003 K. El imán horizontal se abrió, dejando espacio para introducir y encender un solenoide vertical para alinear los núcleos de cobalto hacia arriba o hacia abajo. Solo un aumento insignificante de temperatura fue causado por el campo magnético del solenoide, ya que la orientación del campo magnético del solenoide fue en la dirección del factor g bajo. Este método para lograr una alta polarización de núcleos de 60 Co había sido creado por Gorter [16] y Rose. [17]
La producción de rayos gamma se controló utilizando contadores ecuatoriales y polares como medida de la polarización. La polarización de los rayos gamma se controló continuamente durante el siguiente cuarto de hora a medida que el cristal se calentaba y se perdía la anisotropía. Asimismo, las emisiones de rayos beta se monitorearon continuamente durante este período de calentamiento. [1]
Resultados
En el experimento realizado por Wu, la anisotropía de rayos gamma fue de aproximadamente 0,6. Es decir, aproximadamente el 60% de los rayos gamma se emitieron en una dirección, mientras que el 40% se emitieron en la otra. Si la paridad se conservara en la desintegración beta, los electrones emitidos no habrían tenido una dirección de desintegración preferida en relación con el espín nuclear, y la asimetría en la dirección de emisión habría estado cerca del valor de los rayos gamma. Sin embargo, Wu observó que los electrones se emitían en una dirección preferentemente opuesta a la de los rayos gamma con una asimetría significativamente mayor que el valor de anisotropía de los rayos gamma. Es decir, la mayoría de los electrones favorecieron una dirección de desintegración muy específica, específicamente opuesta a la del espín nuclear. [1] La asimetría de electrones observada tampoco cambió de signo cuando se invirtió el campo de polarización, lo que significa que la asimetría no fue causada por magnetización remanente en las muestras. Más tarde se estableció que la violación de la paridad era de hecho máxima. [4] [18]
Los resultados sorprendieron enormemente a la comunidad de físicos. Luego, varios investigadores se apresuraron a reproducir los resultados del grupo de Wu, [19] [20] mientras que otros reaccionaron con incredulidad ante los resultados. Wolfgang Pauli, al ser informado por Georges M. Temmer , quien también trabajaba en el NBS, que la conservación de la paridad ya no se podía asumir como cierta en todos los casos, exclamó: "¡Eso es una tontería!" Temmer le aseguró que el resultado del experimento confirmó que este era el caso, a lo que Pauli respondió secamente "¡Entonces debe repetirse!" [4] A fines de 1957, una investigación adicional confirmó los resultados originales del grupo de Wu, y la violación P se estableció firmemente. [4]
Mecanismo y consecuencias
Los resultados del experimento de Wu proporcionan una forma de definir operativamente la noción de izquierda y derecha. Esto es inherente a la naturaleza de la interacción débil. Anteriormente, si los científicos de la Tierra se comunicaran con el científico de un planeta recién descubierto y nunca se hubieran conocido en persona, no habría sido posible para cada grupo determinar sin ambigüedades la izquierda y la derecha del otro grupo. Con el experimento de Wu, es posible comunicar al otro grupo lo que las palabras izquierda y derecha significan exactamente y sin ambigüedades. El experimento de Wu finalmente ha resuelto el problema de Ozma, que consiste en dar una definición inequívoca de izquierda y derecha científicamente. [21]
En el nivel fundamental (como se muestra en el diagrama de Feynman a la derecha), la desintegración Beta es causada por la conversión de los cargados negativamente ( -1/3 e ) quark abajo al cargado positivamente ( + 2/3e ) up quark por emisión de unW-Higgs ; la
W-
Posteriormente, el bosón se descompone en un electrón y un antineutrino electrónico:
D
→
tu
+
mi-
+
ν
mi.
El quark tiene una parte izquierda y una parte derecha . Mientras camina a través del espacio-tiempo, oscila hacia adelante y hacia atrás de la parte derecha a la izquierda y de la izquierda a la derecha. A partir del análisis de la demostración de violación de paridad del experimento de Wu, se puede deducir que solo la parte izquierda de los quarks descendentes decae y la interacción débil involucra solo la parte izquierda de los quarks y leptones (o la parte derecha de los antiquarks y antileptones). La parte derecha de la partícula simplemente no siente la interacción débil. Si el quark down no tuviera masa, no oscilaría y su parte derecha sería bastante estable por sí misma. Sin embargo, debido a que el quark down es masivo, oscila y decae. [22]
En general, como , el fuerte campo magnético polariza verticalmente el 60
27Co
núcleos tales que . Desdey la desintegración conserva el momento angular , implica que . Por lo tanto, la concentración de rayos beta en la dirección z negativa indicó una preferencia por los quarks y electrones zurdos.
A partir de experimentos como el de Wu y el de Goldhaber , se determinó que los neutrinos sin masa deben ser zurdos, mientras que los antineutrinos sin masa deben ser diestros. Dado que actualmente se sabe que los neutrinos tienen una masa pequeña, se ha propuesto que podrían existir neutrinos diestros y antineutrinos zurdos. Estos neutrinos no se acoplarían al lagrangiano débil y solo interactuarían gravitacionalmente, posiblemente formando una parte de la materia oscura en el universo. [23]
Impacto e influencia
El descubrimiento sentó las bases para el desarrollo del modelo estándar , ya que el modelo se basó en la idea de simetría de partículas y fuerzas y cómo las partículas a veces pueden romper esa simetría. [24] [25] La amplia cobertura de su descubrimiento llevó al descubridor de la fisión Otto Robert Frisch a mencionar que la gente en Princeton solía decir que su descubrimiento fue el más significativo desde el experimento de Michelson-Morley que inspiró la Teoría de la Relatividad de Einstein . [26] Mientras que la AAUW lo llamó la solución al mayor acertijo de la ciencia. [27] Más allá de mostrar la característica distintiva de interacción débil de las otras tres fuerzas convencionales de interacción, esto eventualmente condujo a la Violación CP general o la violación de la simetría de paridad de conjugación de cargos. [28] Esta violación significó que los investigadores pudieran distinguir la materia de la antimateria y crear una solución que explicaría la existencia del universo como uno que está lleno de materia. [29] Esto se debe a que la falta de simetría dio la posibilidad de un desequilibrio materia-antimateria que permitiría que la materia existiera hoy a través del Big Bang . [30] En reconocimiento a su trabajo teórico, Lee y Yang fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 1957. [31] Para citar aún más el impacto que tuvo, el premio Nobel Abdus Salam bromeó:
"Si algún escritor clásico hubiera considerado a los gigantes ( cíclopes ) con sólo el ojo izquierdo. [Uno] confesaría que los gigantes de un solo ojo han sido descritos y [me habría proporcionado] una lista completa de ellos; pero siempre lucen su ojo solitario en medio de la frente. En mi opinión, lo que hemos encontrado es que el espacio es un gigante débil de ojos izquierdos ". [32]
El descubrimiento de Wu allanaría el camino para una fuerza electrodébil unificada que Salam demostró, que teóricamente se describe para fusionarse con la fuerza fuerte para crear un modelo totalmente nuevo y una Gran Teoría Unificada , que a su vez puede fusionarse con la gravedad para convertirse en una Teoría del Todo. .
Ver también
- Neutrino
- Interacción de Fermi
- Interacción electrodébil
- El universo ambidiestro de Martin Gardner ; libro que contiene una extensa discusión popular sobre la paridad y el experimento de Wu
Referencias
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Otras lecturas
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