Experiment de Wu

L'experiment de Wu va ser portat a terme en el laboratori de baixa temperatura de l'Agència d'Estàndarts, Washington D. C., en 1956. El quarto vertical de buit, contenint el cobalt-60, detectors, i bobina de camp, està sent colocada dins d'un Dewar abans de ser insertat dins del gran electroimant del fondo, el qual gelarà el radioisòtop prop zero absolut per refrigeració magnètica.

Chien-Shiung Wu, en honor de qui es denomina l'experiment de Wu, va dissenyar l'experiment i va dirigir l'equip que va portar a terme la prova de la conservació de paritat.

El experiment de Wu va ser un experiment de física nuclear que es va portar a terme en 1956 per la física nortamericana naixcuda en China Chien-Shiung Wu en colaboració en el Grup de Baixa Temperatura de l'Institut Nacional d'Estàndarts. El propòsit de l'experiment era establir si es conservava o no la paritat (conservació-P), la qual va anar anteriorment establida per les interaccions electromagnètiques i les fortes, i també s'aplicava a interaccions dèbils. Si la conservació-P era certa, una versió especular del món (a on l'esquerra està a la dreta i la dreta a l'esquerra) es comportaria com l'image especular del món actual. Si la conservació-P es violava, llavors seria possible distinguir entre una variació reflectida del món i l'image especular del món actual.

L'experiment va establir que la conservació de paritat era violada (violació-P) per l'interacció dèbil. Este resultat no era l'esperat per la comunitat de física, que anteriorment havia considerat la paritat com una cantitat conservada. Tsung-Dao Lee i Chen-Ning Yang, els físics teòrics que varen originar l'idea de la no-conservació de la paritat i varen propondre l'experiment, varen rebre el Premi Nobel de Física en 1957 per este resultat.

Història

Conservació-P: un rellonge construït igual que la seua image especular es comportarà com l'image reflectida del rellonge original

Violació-P: un rellonge construït igual que la seua image especular no es comportarà com l'image reflectida del rellonge original.

El 1927, Eugene Wigner va formalisar el principi de la conservació de paritat (conservació-P), l'idea que el món actual i un construït com la seua image especular es comportaria de la mateixa manera, en l'única diferència que s'invertirien l'esquerra i la dreta (per eixemple, un rellonge les manetes del qual marquen en el sentit de les agulles del rellonge ho faria en el sentit contrari si es construïra una versió especular d'ell).

Este principi era àmpliament acceptat pels físics, i la conservació-P era verificat experimentalment en les interaccions electromagnètiques i les fortes. Aixina i tot, durant la mitat dels 1950, certes desintegracions implicant posades-K (kaones) no es podien explicar en les teories existents que presuponien que era certa la conservació-P. Semblava que existien dos tipos de kaones, un que es desintegrava en dos piones, i l'atre que es desintegrava en tres piones. Açò va ser conegut com el rompecabezas de τ–θ.

Els físics teòrics Tsung-Dao Lee i Chen-Ning Yang varen portar a terme una revisió de les investigacions publicades sobre la qüestió de la conservació de la paritat en totes les interaccions fonamentals i varen concloure que en el cas de l'interacció dèbil, les senyes experimentals ni confirmaven ni refutaban la conservació-P. Poc despuix, es varen acostar a Wu, que ya era una experta en espectroscòpia sobre desintegració beta, en vàries idees per a portar a terme diversos experiments. Varen decidir provar les propietats direccionals de la desintegració beta en el cobalt-60 (⁶⁰Co). Wu va contactar despuix en Henry Boorse i Mark W. Zemansky, que tenien una àmplia experiència en física de baixes temperatures. A petició de Boorse i Zemansky, Wu va contactar en Ernest Ambler, de l'Agència Nacional d'Estàndarts i Tecnologia (NBS), que va permetre que l'experiment es portara a terme en decembre de 1956 en els laboratoris de baixa temperatura de la seua institució.

Lee i Yang, que varen promoure l'experiment, varen ser premiats en el Nobel de Física en 1957, poc en acabant de que l'experiment es portara a terme.

L'experiment

Archiu:Wu experiment.jpg

Principi de l'experiment de Wu en 1956 per a detectar la violació de la paritat en la desintegració beta nuclear

L'experiment en sí mateixa permet monitorizar la desintegració dels àtoms de cobalt-60 gelats a una temperatura pròxima al zero absolut i alineats en un camp magnètic uniforme. El ⁶⁰Co és un isòtop inestable de cobalt que es transforma en l'isòtop estable de níquel-60 (⁶⁰Ni) per mig de radiació beta. Durant este procés, un dels neutrons del núcleu de el ⁶⁰Co dona lloc a un protón per mig de l'emissió d'un electró (i⁻) i un antineutrino (ν_i). Açò transforma el núcleu de el ⁶⁰Co en un núcleu de Níquel-60. El núcleu de níquel resultant, aixina i tot, està en un estat excitat i en seguida decau cap al seu estat fonamental per mig de l'emissió de dos rajos gamma (γ). Per això l'equació nuclear global de la reacció és:

${}_{27}^{60}\text{Co}\to {}_{28}^{60}\text{Ni}+e^{-}+{\overline{\nu }}_e+2\gamma$

Els rajos gamma són fotons, i la seua lliberació del núcleu de 60Ni és un procés electromagnètic (ME). Açò és important perque se sabia que el ME respectava la conservació-P. Per això, la distribució dels rajos gamma emesos va actuar com a control de la polarisació dels electrons emesos via l'interacció dèbil, aixina com un indicador de l'uniformitat dels àtoms de el ⁶⁰Co. El experiment de Wu va comparar la distribució de les emissions dels rajos gamma i dels electrons en els espin nuclears en orientacions opostes. Si es trobava que els electrons eren emesos en la mateixa direcció i en la mateixa proporció que els rajos gamma, la conservació-P seria certa. Si hi havia un biaix en la direcció de les desintegracions, és dir, si la distribució dels electrons no seguia la distribució dels rajos gamma, llavors la violació de la paritat estaria provada.

Materials i métodos

Archiu:Wu-Experiment (English).png

Ilustració esquemàtica de l'experiment de Wu

El repte en este experiment era obtindre la més alta polarisació possible dels núcleus de el ⁶⁰Co. Pels moments magnètics tant menuts dels núcleus (comparats en els de els electrons), es varen requerir camps magnètics molt intensos a  temperatures extremadament baixes, molt més baixes de les que es podrien conseguir només en el heli líquit. Les temperatures baixes es varen conseguir utilisant el método de refrigeració magnètica. El cobalt radiactiu va ser depositat com una fina capa superficial en un cristal de nitrat de ceri-magnesi, una sal paramagnética en un factor de Landé altament anisotrópico.

La sal va ser imantada a lo llarc de l'eix d'elevat factor-g, i la temperatura es va baixar fins a 1.2 K per a bombejar l'heli a baixa pressió. Tallant el camp magnètic horisontal de resulta de l'afluixó de temperatura fins als aproximadament 0.003 K. L'iman horisontal s'obria per la part de dalt, deixant lloc per a introduir un inductor vertical i conectar-ho per a alinear els núcleus de cobalt o cap a dalt o cap a avall. Solament un aument insignificant de la temperatura va ser causat pel camp magnètic del solenoide, ya que la seua orientació era en la direcció del factor-g baix. Este método per a conseguir l'alta polarisació dels núcleus de el ⁶⁰Co va ser una idea original de Gorter i Rose.

La producció de rajos gamma va ser controlada utilisant contadors equatorials i polars com una mida de la polarisació. La polarisació del raig gamma era contínuament controlada en el quarto d'hora següent a mida que el cristal es calfava i es perdia la anisotropía. Aixina mateix, les emissions de rajos beta es controlaven contínuament durant este periodo de calfament.

Resultats

En l'experiment portat a terme per Wu, la polarisació dels rajos gamma va ser aproximadament del 60%. Açò és, aproximadament el 60% dels rajos gamma varen ser emesos en una direcció, mentres que el 40% ho varen anar en l'atra. Si la conservació-P era certa en la desintegració beta, els electrons no tindrien cap direcció de desintegració preferida en relació en l'espin nuclear. Aixina i tot, Wu va observar que els electrons eren emesos en una direcció preferentment oposta a la dels rajos gamma. És dir, la majoria dels electrons varen favorir una direcció molt específica de desintegració, oposta a la de l'espin nuclear. Més vesprada es va establir que la violació de paritat era de fet màxima.

Els resultats varen sorprendre suficientment a la comunitat física. Varis investigadors varen intentar reproduir els resultats del grup de Wu, mentres uns atres varen reaccionar en incredulitat. Wolfgang Pauli en ser informat per Georges M. Temmer, que també havia treballat en el NBS, que la conservació-P ya no podria ser assumida com certa en tots els casos, va exclamar ^¡Això és una absoluta barbaritat!^ Temmer li va assegurar que el resultat de l'experiment ho confirmava, a lo que Pauli va respondre tallant: ^¡Llavors té que ser repetit!^ A finals de 1957, investigacions posteriors varen confirmar els resultats originals del grup de Wu, i aixina la violació de la paritat va ser fermament establida.