Дослід Ву — експеримент у галузі фізики елементарних частинок та ядерної фізики, проведений 1956 року фізикинею Цзяньсюн Ву у співпраці з Лабораторією низьких температур Національного бюро стандартів США. Метою досліду було встановити, чи зберігається парність (P-парність), встановлена раніше в електромагнітних і сильних взаємодіях, також для слабкої взаємодії, чи ні. Якщо P-парність була б істинною величиною, що зберігається, то дзеркальна версія світу (де ліве замінюється на праве, а праве — на ліве) поводилася б як дзеркальне відображення справжнього світу. Якщо ж P-парність порушувалася б, можна було б відрізняти дзеркальну версію світу і дзеркальне відображення справжнього світу. Дослід полягав у спостереженні розподілу напрямків вильоту електронів з ядер кобальту-60 при бета-розпаді в умовах дуже низької температури і сильного магнітного поля. У ньому виявлено асиметрію розподілу бета-часток, що вилітають із джерела радіації.
Результати досліду показали, що збереження просторової парності порушується через слабку взаємодію, що дає можливість операційно визначати без прив'язки до макрооб'єктів реального світу. Цей результат не був очікуваним у фізичній спільноті, яка до цього вважала парність . Цзундао Лі і Чженьнін Янг, фізики-теоретики, які започаткували ідею незбереження парності і запропонували цей експеримент, отримали за свою теоретичну роботу Нобелівську премію з фізики 1957 року. Роль Ву Цзяньсюн у відкритті згадано в нобелівській промові, але її відзначено аж 1978 року, коли їй вперше присудили премію Вольфа.
Історія 1927 року Юджин Вігнер формалізував принцип збереження парності (P-парності): Доступно в — ідею про те, що справжній світ і світ, побудований як його дзеркальне відображення, будуть поводитися однаково, з тією різницею, що ліве і праве будуть перевернуті (наприклад, годинник, що йде за годинниковою стрілкою, у дзеркальному світі обертатиметься проти годинникової стрілки).
Цей принцип був широко прийнятий фізиками, а збереження P-парності експериментально підтвердили в електромагнітних та сильних взаємодіях. Проте в середині 1950-х років деякі розпади за участю каонів не можна було пояснити чинними теоріями, в яких передбачалося, що P-парність зберігається. Здавалося, що існує два типи каонів: один розпадається на два піони, а інший — на три піони. Цей ефект отримав назву τ — θ-парадокс .
Цзундао Лі та Чженьнін Янг започаткували ідею незбереження парності. Вони проаналізували літературу щодо збереження парності у всіх фундаментальних взаємодіях і дійшли висновку, що в разі слабкої взаємодії експериментальні дані не підтверджують і не спростовують наявності P-симетрії. Невдовзі вони звернулися до Цзяньсюн Ву, експертки зі спектроскопії бета-розпаду, з різними ідеями для експериментів. Вони зупинилися на ідеї перевірити спрямованість бета-розпаду в кобальті-60. Ву усвідомила потенціал революційного експерименту і, бажаючи випередити решту фізичної спільноти, взялася до роботи наприкінці травня 1956 року, скасувавши заплановану поїздку зі своїм чоловіком до Женеви та на Далекий Схід. Більшість фізиків, включно з її близьким другом Вольфгангом Паулі, вважали це за неможливе. Інший відомий вчений, Річард Фейнман, побився об заклад 10 000 до 1 з фізиком Норманом Рамзеєм на провал експерименту; дізнавшись про його результати, він домовився на п'ятдесят доларів — суму, яку він пізніше заплатить Рамзею на Рочестерській конференції.
Ву, щоб провести свій експеримент, довелося зв'язатися з Генрі Бурсом і , які мали значний досвід у фізиці низьких температур. На прохання Бурса і Земанського Ву зв'язалася з із Національного бюро стандартів для допомоги в організації експерименту, який мав відбутися 1956 року в Лабораторії низьких температур Національного бюро стандартів. У грудні 1956 року, після кількох місяців роботи та подолання технічних труднощів, команда Ву встановила асиметрію, яка вказує на порушення парності.
Лі та Янга, які ініціювали дослід Ву, за їхню теоретичну працю нагороджено Нобелівською премією з фізики 1957 року, невдовзі після проведення експерименту. Роль Ву у відкритті згадано в промові під час вручення премії. Вольфганг Паулі, Янг, Лі та багато інших учених були обурені таким рішенням Нобелівського комітету, а лауреат Нобелівської премії 1988 Джек Штайнбергер назвав це найбільшою помилкою в історії Нобелівського комітету. 1978 року Ву присуджено першу премію Вольфа.
Теорія Якщо конкретна взаємодія зберігає P-симетрію, це означає, що, якщо поміняти місцями ліве і праве, то взаємодія поводитиметься так само, як і до обміну. Інакше кажучи — можна припустити, що сконструйовано два світи, які відрізняються лише парністю — «реальний» світ і «дзеркальний» світ, де ліве і праве обмінюються місцями. Якщо взаємодія симетрична відносно просторової парності, вона приводить до однакових результатів у обох «світах». Метою досліду Ву було визначити, зберігається чи порушується P-парність у слабкій взаємодії, дослідивши напрям руху продуктів розпаду кобальту-60. Якби розпад відбувався у виділеному напрямку, це означало б порушення парності, оскільки, якби слабка взаємодія зберігало парність, то продукти розпаду мали б випускатися рівноймовірно у всіх напрямах. Як писали Ву зі співавторами:
Якщо спостерігається асиметрія у розподілі між θ і 180°−θ (де θ — кут між орієнтацією батьківських ядер та імпульсом електронів), це дає однозначне доведення того, що парність при бета-розпаді не зберігається.
Причина цього полягає в тому, що ядро кобальту-60 має спін, а спин не змінює свого напрямку при заміні парності, оскільки кутовий момент — це аксіальний вектор. З іншого боку, напрямок, у якому продукти розпаду розлітаються, залежить від парності, оскільки імпульс — це полярний вектор. Іншими словами, якби в «реальному» світі ядерний спін кобальту-60 і розліт продуктів розпаду мали приблизно один напрям, то в «дзеркальному» світі вони мали б приблизно протилежні напрями, тому що напрямок розльоту продуктів розпаду змінився б, а напрямок спіну — ні.
Це покаже явну відмінність у поведінці слабкої взаємодії в обох «світах», і, отже, слабку взаємодію не можна буде назвати симетричною відносно парності. Єдине, що підтвердило б симетричність слабкої взаємодії за парністю, — якби не було переваги в напрямку розльоту отриманих частинок, тому що тоді зміна напрямку в «дзеркальному» світі не виглядала б інакше, ніж у «реальному» світі, бо там у будь-якому разі була рівна кількість продуктів розпаду, що розлетілися, в обох напямках.
Експеримент
В експерименті відстежувався розпад атомів кобальту-60 (60Co), спіни яких вирівняно однорідним магнітним полем (поляризаційним полем), охолоджених майже до абсолютного нуля, так що теплові флуктуації не порушували вирівнювання спінів. Кобальт-60 є нестабільним ізотоп кобальту, який зазнає бета-розпаду до стабільного ізотопу нікель-60 (60Ni). Під час цього розпаду один із нейтронів у ядрі кобальту-60 розпадається на протон, випромінюючи електрон (e−) та електронне антинейтрино (e). Утворене ядро нікелю, проте, перебуває в збудженому стані і швидко переходить у свій основний стан, випускаючи два кванти гамма-випромінювання (γ). Звідси загальне рівняння ядерної реакції:
Гамма-промені — це фотони, тому їх випромінювання ядром нікелю-60 є електромагнітним процесом. Це важливо, оскільки відомо, що електромагнітні процеси зберігають парність, тому вони випромінюються приблизно однаково в усіх напрямках, тобто їх розподіл приблизно «ізотропний». Отже, розподіл електронів, що випускаються, можна порівняти з розподілом випромінюваних гамма-променів, щоб установити, чи випускаються вони також ізотропно. Іншими словами, розподіл гамма-променів слугував контрольним експериментом для порівняння з розподілом електронів, що випускаються. Ще одна перевага гамма-променів полягала в знанні ступеня, до якого вони були розподілені не ідеально рівномірно у всіх напрямках («анізотропії» їх розподілу), і дозволяло визначити ступінь вирівнювання ядерних спінів кобальту-60. Якби ядра кобальту-60 взагалі не були вирівняні, то, незалежно від розподілу електронної емісії, експеримент не виявив би анізотропії. Це пов'язано з довільною орієнтацією ядер: у цьому випадку емісія електронів буде випадковою, і експеримент виявить рівну кількість електронів у всіх напрямках, навіть якщо вони випускаються кожним окремим ядром тільки в одному напрямку.
Потім у досліді підраховувалася швидкість випромінювання гамма-квантів та електронів у двох різних напрямках та порівнювалися їх значення. Ця швидкість вимірювалася як функція часу і з поляризаційним полем, орієнтованим у протилежних напрямках. Якби швидкості підрахунку електронів і гамма-променів не відрізнялися істотно, це свідчило б про збереження P-парності за рахунок слабкої взаємодії. Якщо, однак, швидкості підрахунку істотно відрізняються, то з'являються вагомі докази того, що в слабкій взаємодії P-парність дійсно порушується.
Матеріали та методи
Завдання цього експерименту полягала в тому, щоб отримати максимально можливу поляризацію ядер 60Co. Через дуже малі магнітні моменти ядер, порівняно з електронами, були потрібні сильні магнітні поля за надзвичайно низьких температур, значно нижчих, ніж можна було б досягти тільки охолодженням рідким гелієм. Низьких температур досягнуто методом адіабатного розмагнічування. Радіоактивний кобальт нанесли у вигляді тонкого поверхневого шару на кристал нітрату церію-магнію, парамагнітної солі з дуже анізотропним g-фактором Ланде.
Сіль намагнічувалася вздовж осі, що має більший g-фактор, а температура знижувалася до 1,2 К відкачуванням пари гелію до низького тиску. Вимкнення горизонтального магнітного поля спричиняло зниження температури приблизно до 0,003 K. Горизонтальний магніт був відкритим, даючи місце вертикальному соленоїду, який можна було ввести й увімкнути, щоб вирівняти магнітні моменти ядер кобальту, спрямовані вгору або вниз. Магнітне поле соленоїда лише трохи підвищувало температуру, оскільки його магнітне поле було зорієнтоване в напрямку низького g-фактора. Цей метод досягнення високої поляризації ядер 60Co винайшли і Роуз.
Детектування гамма-променів контролювалося за допомогою екваторіальних та полярних лічильників, які використовують для вимірювання поляризації. Протягом наступних 15 хвилин, у міру того, як кристал нагрівався і зникала анізотропія, безперервно відстежували поляризацію гамма-випромінювання. Аналогічно, в процесі розігріву безперервно відстежували бета-випромінювання.
Отримані результати
У досліді, який провела Ву, спостерігалася анізотропія гамма-випромінювання, а також анізотропія бета-випромінювання до моменту розігріву системи (близько 6 хвилин), коли обидві анізотропії зникали. Якби при бета-розпаді парність зберігалася, то електрони, що випускаються, не мали б переважного напрямку розпаду відносно орієнтації ядерного спіну, і асиметрія щодо напрямку розльоту була б близькою до її значення для гамма-променів. Однак Ву зауважила, що електрони випускалися в напрямку, переважно протилежному до напрямку випромінювання гамма-променів, з асиметрією, значно більшою, ніж значення анізотропії гамма-променів. Тобто, більшість електронів мали дуже специфічний напрямок розльоту, прямо протилежний напрямку ядерного спіну. Спостережувана електронна асиметрія також не змінювала знаку при зміні поляризаційного поля на протилежне, що означає, що асиметрія не була викликаною залишковою намагніченістю зразків. Пізніше встановлено, що порушення парності було максимальним.