우 실험

우 실험은 1956년 중국계 미국인 물리학자 친시웅 우가 미국 국가표준국 저온그룹과 공동으로 수행한 입자 및 핵물리 실험이었다.^[1]이 실험의 목적은 전자파 및 강한 상호작용에서 이전에 확립된 패리티의 보존(P-보존)이 약한 상호작용에도 적용되는지를 규명하는 것이었다.P보존이 사실이라면 거울로 비친 세계(왼쪽에서 오른쪽, 오른쪽이 왼쪽)가 현세계의 거울 이미지로 작용했을 것이다.만약 P-보존이 위반되었다면, 거울로 비친 세계의 버전과 현 세계의 거울 이미지를 구별할 수 있을 것이다.

실험 결과, 약한 상호작용에 의해 패리티 보존이 침해(P-폭력)된다는 것을 확인, 인체에 대한 언급 없이 좌우로 작전적으로 정의할 수 있는 방법을 제공했다.이 결과는 이전에 패리티를 보존량으로 간주했던 물리학계에서는 예상하지 못했다.패리티 비보존의 개념을 창안하고 이 실험을 제안한 이론 물리학자인 쑹다오 리와 첸닝 양은 이 결과로 1957년 노벨 물리학상을 받았다.이번 발견에서 우치엔-시웅의 역할은 노벨상 수상소감에서 언급되었으나,^[2] 1978년 제1회 울프상을 수상할 때까지 영예를 얻지 못했다.

역사

1927년에, 유진 위그너가 현재 세계와 하나의 거울상처럼 만든 같은 방법과 권리(예를 들어 스핀 만약 당신이 미르를 시계 방향 시계 반대 방향으로 돌릴 수 있는 시계 철회될 것이다를 떠나는 유일한 차이를 가지고 행동하는지(P-conservation)[3]는 보존의 원리기 시작한.ror에드 버전.

이 원리는 물리학자들에게 널리 받아들여졌고, P-보존은 전자파 및 강한 상호작용에서 실험적으로 검증되었다.그러나 1950년대 중반에 카온과 관련된 특정 논쟁은 P-보존이 사실이라고 가정하는 기존 이론으로는 설명할 수 없었다.두 종류의 카온이 있는 것 같았는데, 하나는 두 개의 피온으로 부패하고 다른 하나는 세 개의 피온으로 부패했다.이것은 τ–θ 퍼즐로 알려져 있었다.^[4]

이론 물리학자인 Tsung-Dao Lee와 Chen-Ning Yang은 모든 근본적인 상호작용에서 패리티 보존의 문제에 대한 문헌 검토를 했다.그들은 약한 상호작용의 경우 실험 데이터가 P-보존을 확인하거나 반박하지 않는다고 결론지었다.^[5]얼마 지나지 않아 그들은 베타 붕괴 분광학 전문가였던 우친성에게 실험을 위한 다양한 아이디어를 가지고 접근했다.그들은 베타 붕괴의 방향성을 코발트-60으로 시험한다는 생각에 정착했다.우씨는 획기적인 실험의 가능성을 깨닫고 1956년 5월 말에 본격적으로 일을 시작했으며, 나머지 물리학계를 주먹으로 이기고 싶어 남편과 함께 제네바와 극동 여행 계획을 취소했다.가까운 친구 볼프강 파울리와 같은 대부분의 물리학자들은 그것이 불가능하다고 생각했다.^[6][7][8]

우씨는 저온물리학 경험이 풍부한 헨리 보어스와 마크 W. 제만스키에게 연락해 실험을 해야 했다.보어스와 제만스키의 지시에 따라 우씨는 국립표준국의 어니스트 앰블러에게 연락을 취했고, 그는 NBS의 저온 실험실에서 1956년에 실험이 수행되도록 주선했다.^[4]우 교수팀은 기술적 어려움을 극복하기 위해 수개월간 연구한 끝에 1956년 12월 패리티 위반을 나타내는 비대칭성을 관찰했다.^[9]

우 실험에 박차를 가한 이씨와 양씨는 실험이 실시된 직후인 1957년 노벨 물리학상을 받았다.이번 발견에서 우씨의 역할은 수상소감에서 언급됐으나 1978년 제1회 울프상을 수상할 때까지 영예를 얻지 못했다.^[2][10]1988년 노벨상 수상자인 잭 스타인버거가 노벨위원회 역사상 가장 큰 실수라고 칭하면서 그녀의 절친한 친구 볼프강 파울리로부터 리와 양에 이르기까지 많은 사람들은 분노했다.^[11]우씨는 상에 대한 자신의 감정을 공개적으로 거론하지는 않았지만 스타인버거에게 보낸 편지에서 "상만을 위해 연구를 한 것은 아니지만, 어떤 이유로 작품이 간과된 것은 여전히 나에게 많은 상처를 준다"^[12]고 말했다.

이론

특정 교호작용이 패리티 대칭을 존중한다면, 좌우 교호작용이 상호교체된다면 교호작용이 교환 이전과 동일하게 동작한다는 것을 의미한다.이것을 표현하는 또 다른 방법은 패리티에 의해서만 차이가 나는 두 개의 세계, 즉 "실제" 세계와 "미러" 세계, 즉 좌우가 스와핑되는 "미러" 세계라고 상상하는 것이다.교호작용이 패리티 대칭인 경우, 두 "세계"^[1]에서 동일한 결과를 산출한다.

우의 실험의 목적은 코발트-60의 붕괴성 산물이 한 방향으로 우선 배출되고 있는지 아닌지를 살펴봄으로써 상호작용이 약한지의 여부를 판별하는 것이었다.이는 약한 상호작용이 패리티를 보존하는 것이라면 붕괴 방출은 모든 방향에서 동일한 확률로 방출되어야 하기 때문에 패리티 대칭성의 위반을 의미한다.Wu 등:^[1]

θ과 180° - θ 사이의 분포의 비대칭(여기서 orientation은 모핵의 방향과 전자의 운동량 사이의 각도)이 관찰되면, 그것은 패리티가 베타 붕괴에 보존되지 않는다는 명백한 증거를 제공한다.

그 이유는 코발트-60 핵은 스핀을 전달하며, 스핀은 패리티 하에서 방향이 변하지 않기 때문이다(각운동량이 축방향 벡터이기 때문이다).반대로, 모멘텀은 극 벡터이기 때문에 패리티 하에서 붕괴 산물이 배출되는 방향이 변경된다.즉, "실제" 세계에서는 코발트-60 핵 스핀과 붕괴된 제품 방출이 둘 다 거의 같은 방향이라면, "거울" 세계에서는 방출 방향은 뒤집혔겠지만 스핀 방향은 뒤집혔을 것이기 때문에 대략 반대 방향일 것이다.^[13]

이는 두 "세계" 사이의 약한 상호작용에 대한 행동의 분명한 차이일 것이며, 따라서 약한 상호작용은 패리티 대칭이라고 말할 수 없다.약한 교호작용이 패리티 대칭이 될 수 있는 유일한 방법은 방출 방향의 선호도가 없는 경우일 때, 어쨌든 양방향의 배출량이 같았기 때문에 "미러" 세계에서 방출 방향의 플립은 "실제" 세계와 다르지 않게 보일 것이기 때문이다.

실험

실험은 균일한 자기장(편광장)에 의해 정렬된 코발트-60(⁶⁰Co) 원자의 붕괴를 감시하고 열운동이 정렬을 망치지 않도록 절대 0에 가깝게 냉각시켰다.^[14]코발트-60은 베타 붕괴에 의해 안정 동위원소 니켈-60(⁶⁰Ni)으로 분해되는 코발트의 불안정한 동위원소다.이 붕괴 동안 코발트-60 핵의 중성자 중 하나는 전자(e⁻)와 전자 안티뉴트리노(ntineutrino_e)를 방출하여 양성자로 분해된다.그러나 그 결과로 나온 니켈핵은 흥분된 상태에 있고 두 개의 감마선(γ emitting)을 방출함으로써 즉각적으로 그 지상 상태로 분해된다.따라서 반응의 전반적인 핵 방정식은 다음과 같다.

${\displaystyle {}_{27}^{60}{\text{Co}}\오른쪽 화살표 {}{}}{60}{\text{Ni}}+e^{-}+{\bar}{\nu}}}{e}}}+2}{\gamma}}}}}}}}}}}}}}$

감마선은 광자이며, 니켈-60 핵에서 방출되는 광자는 전자기(EM) 과정이다.이는 전자파가 패리티 보존을 존중하는 것으로 알려져 있었고, 따라서 그것들은 모든 방향에서 대략 동등하게 방출될 것이기 때문에 중요하다(그것들은 대략 "이산화적으로" 분배될 것이다).따라서, 방출된 전자의 분포는 동위원소적으로 방출되는지 여부를 비교하기 위해 방출된 감마선의 분포와 비교될 수 있다.즉, 감마선의 분포는 방출된 전자의 분포를 조절하는 역할을 했다.방출된 감마선의 또 다른 장점은 모든 방향에서 완전히 균등하게 분포되지 않은 정도(분포의 "비등분포")를 사용하여 코발트-60 핵이 얼마나 잘 정렬되었는지(그들의 스핀들이 얼마나 잘 정렬되었는지) 판단할 수 있다는 것이었다.^[15]만약 코발트-60 핵이 전혀 정렬되어 있지 않다면, 전자 방출이 실제로 분포되어 있더라도 실험에 의해 검출되지 않을 것이다.이것은 핵의 정렬되지 않은 샘플이 무작위로 향할 것으로 예상될 수 있고, 따라서 전자 방출은 무작위로 될 것이고 실험은 각각의 개별 핵에서 한 방향으로만 방출되는 전자 방출의 수를 감지할 것이기 때문이다.

그 실험은 감마선과 전자의 방출 속도를 두 개의 뚜렷한 방향으로 본질적으로 계산하고 그 값을 비교했다.이 비율은 시간 경과에 따라 측정되었으며 반대 방향의 편광장으로 측정되었다.전자의 계수 속도가 감마선의 계수 속도와 크게 다르지 않다면, 패리티가 실제로 약한 상호작용에 의해 보존된다는 것을 암시하는 증거가 있었을 것이다.그러나, 만약 계수율이 유의하게 달랐다면, 약한 상호작용은 실제로 패리티 보존을 위반한다는 강력한 증거가 있을 것이다.

자재와 방법

이 실험에서 실험적인 도전은 코핵의 가능한 가장 높은 양극화를 얻는 것이었다.전자에 비해 핵의 자기 모멘트가 매우 작기 때문에 액체 헬륨 냉각만으로 달성할 수 있는 것보다 훨씬 낮은 극저온에서 강한 자기장이 요구되었다.낮은 온도는 단층화 방법을 사용하여 달성되었다.방사성 코발트는 질산 세륨-마그네슘 결정 위에 얇은 표면층으로 퇴적되었는데, 질산은 비등방성이 높은 란데 g-요소를 가진 파라마그네틱 소금이다.

소금은 높은 g-요인의 축을 따라 자화되었고, 헬륨을 저압으로 펌핑하여 1.2K로 온도를 낮췄다.수평 자기장을 차단하면 온도가 약 0.003 K까지 감소하였다.수평 자석을 개방하여 수직 솔레노이드를 도입하고 켜서 코발트 핵을 위 또는 아래로 정렬할 수 있도록 하였다.솔레노이드의 자기장 방향은 낮은 g-요인 방향이었기 때문에 솔레노이드 자기장에 의한 온도 상승만 무시할 수 있다.코핵의 높은 양극화를 달성하는 이 방법은 고터(Gotter^[16])와 로즈(Rose)^[17]에서 비롯되었다.

감마선의 생산은 양극화의 측정으로 적도 계수기와 극 계수기를 사용하여 감시되었다.감마선 양극화는 수정체가 따뜻해지고 음이소트로피가 손실됨에 따라 다음 분기에 걸쳐 지속적으로 모니터링되었다.마찬가지로, 베타선 방출은 이 온난화 기간 동안 지속적으로 감시되었다.^[1]

결과.

우가 수행한 실험에서 감마선 음이소트로피는 약 0.6이었다.즉, 감마선의 약 60%가 한 방향으로 방출되었고, 40%는 다른 방향으로 방출되었다.만일 패리티가 베타 붕괴로 보존되었다면, 방출된 전자는 핵 스핀에 비해 우선적인 붕괴 방향을 갖지 않았을 것이고, 방출 방향의 비대칭은 감마선의 값에 가까웠을 것이다.그러나 Wu는 전자가 감마선 음이소트로피 값보다 상당히 큰 비대칭성을 가진 감마선의 반대 방향으로 우선 방출되는 것을 관찰했다.즉, 대부분의 전자는 특히 핵 스핀의 반대인 매우 구체적인 붕괴 방향을 선호했다.^[1]관측된 전자 비대칭도 편광장이 역전되었을 때 기호를 바꾸지 않았으며, 이는 표본의 재탄생 자화현상에 의해 비대칭이 발생하지 않음을 의미한다.패리티 위반은 사실 최대치라는 것이 나중에 밝혀졌다.^[4][18]

그 결과는 물리학계를 크게 놀라게 했다.그 후 여러 명의 연구자들이 우씨의 집단의 결과를 재현하기 위해 허둥지둥했고,^[19][20] 다른 연구자들은 그 결과에 대해 불신하는 반응을 보였다.조르주 M의 통지를 받은 볼프강 파울리. NBS에서 일하기도 했던 템머는 패리티 보존이 모든 경우에 더 이상 사실이라고 가정할 수 없다고 소리쳤다. "그건 완전히 말도 안 되는 소리야!"테메르는 실험 결과가 이것이 사실임을 확인시켜 주었다고 확신시켰고, 파울리는 퉁명스럽게 대답했다. "그러면 그것은 반복되어야 한다!"^[4]1957년 말경에는 추가 연구를 통해 우씨 일당의 당초 결과가 확인되었고, P폭력은 확고히 확립되었다.^[4]

메커니즘과 결과

우 실험의 결과는 좌우의 개념을 운용적으로 정의할 수 있는 방법을 제공한다.이것은 약한 상호작용의 본질에 내재되어 있다.이전에 지구상의 과학자들이 새로 발견된 행성의 과학자와 의사소통을 하고, 직접 만나본 적이 없다면, 각 집단이 다른 집단의 좌우를 모호하게 결정하는 것은 불가능했을 것이다.우 실험으로 좌우가 정확히 무엇을 의미하는지, 또 다른 그룹과 모호하지 않게 소통할 수 있다.우 실험은 마침내 과학적으로 좌우를 애매하게 규정하는 오즈마 문제를 해결했다.^[21]

근본적인 수준(로 파인만 도표에서 오른쪽에 묘사되어)에서, 베타 붕괴가 음극(−.mw-parser-output .sfrac{white-space:nowrap}.mw-parser-output.sfrac.tion,.mw-parser-output.sfrac .tion{디스플레이:inline-block, vertical-align:-0.5em, font-size:85%;text-align:센터}.mw-parser-output.sfrac .n의 변환에 의해 발생한다.Um,.mw-parser-output.sfrac .den{디스플레이:블록, line-height:1em, 마진:00.1em}.mw-parser-output.sfrac .den{border-top:1px 고체}.mw-parser-output .sr-only{국경:0;클립:rect(0,0,0,0), 높이:1px, 마진:-1px, 오버 플로: 숨어 있었다. 패딩:0;위치:절대, 너비:1px}1/3 e)은 양극을 위해 쿼크는 W− 입자의 방출에 의해;쿼크를(+2/3 e). 그 W− 입자에 전자와 전자 antineutrino에:희석되는 것.

d
→
u
+
e⁻
+
ν
_e.

쿼크는 왼쪽과 오른쪽이 있다.스페이스타임을 걸으면서 오른쪽에서 왼쪽으로, 왼쪽에서 오른쪽으로 앞뒤로 진동한다.우 실험의 패리티 위반 시연을 분석함으로써, 다운 쿼크의 왼쪽 부분만 붕괴되고 약한 상호작용은 쿼크와 렙톤(또는 고물점과 안티렙톤 오른쪽 부분)의 왼쪽 부분만 포함한다고 추론할 수 있다.입자의 오른쪽 부분은 단순히 약한 상호작용을 느끼지 못한다.다운 쿼크에 질량이 없다면 진동하지 않을 것이고, 오른쪽 부분은 그 자체로 꽤 안정적일 것이다.그러나 다운 쿼크는 거대하기 때문에 진동하고 소멸한다.^[22]

전체적으로 $J{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {\text{Co}}_{}}$= ${\displaystyle 5}$ ${\displaystyle J_{\text{$Co$}=5$$}$처럼 강한 자기장은 Co
nuclei를 수직으로 편광시켜 $J{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {z,}_{}}$ ${\displaystyle {\text{Co}}_{}}$= ${\displaystyle \mathrm{J}}$ ${\displaystyle {\text{Co}}_{}}$=${\displaystyle }$+ 5 ${\displaysty J_{z,{\text{Co}=J_{\text$Since ${\displaystyle J_{\text{Ni}}=4}$ and the decay conserves angular momentum, ${\displaystyle J_{z,{\text{Co}}}=J_{z,{\text{Ni}}}+J_{z,e^{-}}+J_{z,\nu }=+5}$ implies that ${\displaystyle J_{z,e^{-}}=$$J_{z,\nu }=+1/2$ 따라서 음-z 방향으로 베타선의 농도는 왼손잡이 쿼크와 전자에 대한 선호도를 나타냈다.

우 실험이나 골다베어 실험과 같은 실험으로부터 질량 없는 중성미자는 반드시 왼손잡이여야 하고 질량 없는 안티뉴트리노는 오른손잡이여야 한다는 판단이 내려졌다.현재 중성미자가 질량이 작은 것으로 알려져 있기 때문에 오른손잡이 중성미자와 왼손잡이 안티뉴트리노가 존재할 수 있다는 제안이 나왔다.이 중성미자들은 약한 라그랑비아인과 결합하지 않고 중력적으로만 상호작용할 것이며, 아마도 우주의 암흑물질의 일부를 형성할 것이다.^[23]

영향과 영향

그 모델은 입자와 힘의 대칭이라는 개념에 의존했고 입자가 때로는 어떻게 그 대칭을 깨뜨릴 수 있는지에 의존했기 때문에 이 발견은 표준 모델의 발전의 계기를 마련하였다.^[24][25]그녀의 발견에 대한 광범위한 보도는 핵분열 발견자 오토 로버트 프리슈가 프린스턴의 사람들은 종종 그녀의 발견이 아인슈타인의 상대성 이론에 영감을 준 미셸슨-몰리 실험 이후 가장 중요한 것이라고 말할 것이라고 언급하게 했다.^[26]AAUW는 그것을 "원자핵물리학 제1의 수수께끼에 대한 해결책"^[27]이라고 불렀다.다른 세 가지 재래식 상호작용 힘과의 약한 상호작용의 특성을 보여주는 것 이상으로, 이는 결국 일반적인 CP 위반 또는 전하 결합 패리티 대칭의 위반으로 이어졌다.^[28]이 위반은 연구자들이 물질을 반물질과 구별하고 우주가 물질로 가득 찬 존재임을 설명하는 해결책을 만들 수 있다는 것을 의미했다.^[29]이는 대칭성의 결여가 빅뱅을 통해 오늘날 물질이 존재할 수 있게 하는 물질-항물질 불균형의 가능성을 주었기 때문이다.^[30]이론적 업적을 인정받아 이씨와 양씨는 1957년 노벨 물리학상을 받았다.^[31]노벨상 수상자인 압두스 살람은 그것이 미친 영향을 더 인용하기 위해 이렇게 말했다.

"만약 어떤 고전 작가라도 왼쪽 눈만 가진 거인(사이클로프)을 생각해 본 적이 있다면.【원】은 외눈박이 거인들이 묘사되어 있고 [그들]은 나에게 전체 목록을 제공했을 것이라고 고백할 것이다. 그러나 그들은 항상 이마 한가운데서 외눈을 놀린다.내가 보기에 우리가 발견한 것은 우주가 약한 왼쪽 눈의 거인이라는 것이다."^[32]

우의 발견은 살람이 증명했던 통일된 전기약력을 위한 기반을 마련하게 될 것이며, 이는 이론적으로 완전한 새로운 모델과 대통합 이론을 창조하기 위한 강력한 힘과 합쳐지는 것으로 기술된다.

참고 항목

• 중성미자
• 페르미의 상호작용
• 전기와크 상호작용
• 마틴 가드너의 양면 우주; 동격과 우 실험에 대한 장황한 대중적 논의를 담은 책

참조

추가 읽기

• Martin, W. C.; Coursey, J.; Dragoset, R. A. (July 1997). "The Fall of Parity". NIST Physical Measurement Laboratory.