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El experimento 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 había establecido previamente en las interacciones electromagnéticas y fuertes , también se aplicaba a las interacciones débiles . Si la P -conservación fuera cierta, una versión reflejada del mundo (donde la izquierda es la derecha y la derecha es la izquierda) se comportaría como la imagen reflejada del mundo actual. Si se violara la P -conservación, 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 manera de definir operativamente izquierda y derecha sin referencia al cuerpo humano. Este resultado no fue esperado por la comunidad de física, que previamente había considerado la paridad como una simetría que se aplicaba a todas las fuerzas de la naturaleza. 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. Si bien no recibió el premio Nobel, el papel de Chien-Shiung Wu en el descubrimiento fue mencionado en el discurso de aceptación del premio Nobel de Yang y Lee, [2] pero no fue honrada hasta 1978, cuando recibió el primer Premio Wolf .
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 estarían invertidas (por ejemplo, un reloj que gira en el sentido de las agujas del reloj giraría en el sentido contrario si se construyera una versión reflejada del mismo).
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 involucraban kaones no podían explicarse con las teorías existentes en las que se asumía que la conservación de P era cierta. Parecía haber dos tipos de kaones, uno que se desintegraba en dos piones y el otro que se desintegraba 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 confirmaban ni refutaban 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 cobalto-60 . Wu se dio cuenta del potencial de un experimento innovador 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, queriendo adelantarse al resto de la comunidad de físicos. La mayoría de los físicos, como su amigo cercano Wolfgang Pauli , pensaron que era imposible e incluso expresaron escepticismo con respecto a la propuesta de Yang-Lee. [6] [7] [8]
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 la realización del experimento en 1956 en los laboratorios de bajas temperaturas de la NBS . [4] Después de varios meses de trabajo para superar dificultades técnicas, el equipo de Wu observó una asimetría que indicaba una violación de la paridad en diciembre de 1956. [9]
Lee y Yang, que impulsaron el experimento de Wu, recibieron el premio Nobel de Física en 1957, poco después de que se llevara a cabo el experimento. El papel de Wu en el descubrimiento se mencionó en el discurso de aceptación del premio, [2] pero no fue honrada hasta 1978, cuando se le otorgó el Premio Wolf inaugural . [10] Muchos se indignaron, 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 Nobel. [11] Wu no habló públicamente de sus sentimientos sobre el premio, pero en una carta que le escribió a Steinberger, dijo: "Aunque no hice una investigación solo por el premio, todavía me duele mucho que mi trabajo haya sido pasado por alto por ciertas razones". [12]
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 difieren solo por la paridad: el mundo "real" y el mundo "espejo", donde se intercambian la izquierda y la derecha. Si una interacción es simétrica en cuanto a la 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 observando 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. Como afirman 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), se 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 espín , y el espín no cambia de dirección bajo paridad (porque el momento angular es un vector axial ). Por el contrario, la dirección en la que se emiten los productos de desintegración cambia bajo paridad porque el momento es un vector polar . En otras palabras, en el mundo "real", si el espín nuclear de cobalto-60 y las emisiones de productos de desintegración estuvieran en aproximadamente la misma dirección, entonces en el mundo "espejo", estarían en direcciones aproximadamente opuestas, porque la dirección de emisión se habría invertido, pero la dirección del espín no. [13]
Esto 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 fuera simétrica en términos de paridad. La única manera en que la interacción débil podría ser simétrica en términos de paridad es si no hubiera preferencia en la dirección de la emisión, porque entonces un cambio en la dirección de las emisiones en el mundo "espejo" no se vería diferente del mundo "real" porque de todos modos habría igual cantidad de emisiones en ambas direcciones.
El experimento monitoreó la desintegración de átomos de cobalto-60 ( 60 Co) que fueron alineados por un campo magnético uniforme (el campo polarizador) y enfriados hasta cerca del cero absoluto para que los movimientos térmicos no arruinaran la alineación. [14] El cobalto-60 es un isótopo inestable del cobalto que se desintegra por desintegración beta al isótopo estable níquel-60 ( 60 Ni). Durante esta desintegración, uno de los neutrones en el núcleo de cobalto-60 se desintegra en un protón emitiendo un electrón (e − ) y un antineutrino electrónico ( ν e ). Sin embargo, el núcleo de níquel resultante está en un estado excitado y rápidamente se desintegra a su estado fundamental emitiendo dos rayos gamma (γ). Por lo tanto, la ecuación nuclear general de la reacción es:
Los rayos gamma son fotones, y su liberación desde el núcleo de níquel-60 es un proceso electromagnético (EM). Esto es importante porque se sabía que los EM respetaban la conservación de la paridad y, por lo tanto, se emitirían aproximadamente de manera igual en todas las direcciones (se distribuirían aproximadamente de manera "isotrópica"). Por lo tanto, la distribución de los electrones emitidos podría compararse con la distribución de los rayos gamma emitidos para comparar si también se emitían de manera isotrópica. En otras palabras, la distribución de los rayos gamma actuó como un control para la distribución de los electrones emitidos. Otro beneficio de los rayos gamma emitidos fue que se sabía que el grado en el que no se distribuían de manera perfectamente igual en todas las direcciones (la "anisotropía" de su distribución) podía usarse para determinar qué tan bien se habían alineado los núcleos de cobalto-60 (qué tan bien estaban alineados sus espines). [15] Si los núcleos de cobalto-60 no estaban alineados en absoluto, entonces, sin importar cómo se distribuyera realmente la emisión de electrones, no sería detectada por el experimento. Esto se debe a que se podría esperar que una muestra de núcleos no alineados estuviera orientada aleatoriamente y, por lo tanto, las emisiones de electrones serían aleatorias y el experimento detectaría un número igual de emisiones de electrones en todas las direcciones, incluso si se emitieran desde cada núcleo individual en una sola dirección.
El experimento contó entonces 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 polarizador orientado en direcciones opuestas. Si las tasas de conteo de los electrones no diferían significativamente de las de los rayos gamma, entonces habría habido evidencia para sugerir que la paridad se conservaba efectivamente mediante la interacción débil. Si, en cambio, las tasas de conteo fueran significativamente diferentes, entonces habría una evidencia sólida de que la interacción débil efectivamente viola la conservación de la paridad.
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El reto 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 requirieron campos magnéticos fuertes a temperaturas extremadamente bajas, mucho más bajas que las que se podían lograr mediante enfriamiento con helio líquido únicamente. Las bajas temperaturas se lograron utilizando 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 de alto factor g 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, lo que permitió introducir y encender un solenoide vertical para alinear los núcleos de cobalto hacia arriba o hacia abajo. El campo magnético del solenoide solo provocó un aumento insignificante de la temperatura, ya que la orientación del campo magnético del solenoide estaba en la dirección del bajo factor g. Este método para lograr una alta polarización de los núcleos de 60 Co había sido ideado por Gorter [16] y Rose. [17]
La producción de rayos gamma se monitoreó utilizando contadores ecuatoriales y polares como medida de la polarización. La polarización de los rayos gamma se monitoreó continuamente durante el siguiente cuarto de hora a medida que el cristal se calentaba y se perdía la anisotropía. Del mismo modo, las emisiones de rayos beta se monitoreó continuamente durante este período de calentamiento. [1]
En el experimento llevado a cabo por Wu, la anisotropía de los rayos gamma fue de aproximadamente 0,6. Es decir, aproximadamente el 60% de los electrones 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 sido cercana al 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 favorecían una dirección de desintegración muy específica, específicamente opuesta a la del espín nuclear. [1] La asimetría electrónica observada tampoco cambió de signo cuando se invirtió el campo polarizador, lo que significa que la asimetría no estaba siendo causada por la 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. 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, que también trabajaba en el NBS, de que la conservación de la paridad ya no podía asumirse como cierta en todos los casos, exclamó: "¡Eso es una tontería total!" Temmer le aseguró que el resultado del experimento confirmaba que así era, a lo que Pauli respondió secamente: "¡Entonces hay que repetirlo!" [4] A finales de 1957, otras investigaciones confirmaron los resultados originales del grupo de Wu, y la violación de la P quedó firmemente establecida. [4]
Los resultados del experimento de Wu proporcionan una manera 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 comunicaban con el científico de un planeta recién descubierto y nunca se habían conocido en persona, no habría sido posible para cada grupo determinar inequívocamente la izquierda y la derecha del otro grupo. Con el experimento de Wu, es posible comunicar al otro grupo lo que significan exactamente y sin ambigüedades las palabras izquierda y derecha. El experimento de Wu ha resuelto finalmente el problema de Ozma , que consiste en dar una definición inequívoca de izquierda y derecha de manera científica. [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 la molécula cargada negativamente ( − 1/3 e ) quark down al ( + ) cargado positivamente2/3 e ) quark up por emisión de un
Yo−
bosón ; el
Yo−
El bosón posteriormente se desintegra en un electrón y un antineutrino electrónico:
El quark tiene una parte izquierda y una parte derecha . A medida que se desplaza a través del espacio-tiempo, oscila de un lado a otro, de la parte derecha a la parte izquierda y de la parte izquierda a la parte derecha. A partir del análisis de la demostración de la violación de la paridad del experimento de Wu, se puede deducir que sólo la parte izquierda de los quarks down se desintegra y que la interacción débil involucra sólo la parte izquierda de los quarks y los leptones (o la parte derecha de los antiquarks y los 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 se desintegra. [22]
En general, como el fuerte campo magnético polariza verticalmente la60
27Co
núcleos tales que . Dado que y 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 experimento de Wu y el experimento de Goldhaber, se determinó que los neutrinos sin masa deben ser levógiros, mientras que los antineutrinos sin masa deben ser dextrógiros. Como actualmente se sabe que los neutrinos tienen una masa pequeña, se ha propuesto que podrían existir neutrinos dextrógiros y antineutrinos levógiros. Estos neutrinos no se acoplarían con el lagrangiano débil e interactuarían solo gravitacionalmente, posiblemente formando una parte de la materia oscura del universo. [23]
El descubrimiento preparó el terreno 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 impulsó al descubridor de la fisión Otto Robert Frisch a mencionar que la gente de Princeton solía decir que su descubrimiento era el más significativo desde el experimento de Michelson-Morley que inspiró la teoría de la relatividad de Einstein . [26] La AAUW lo llamó la "solución al enigma número uno de la física atómica y nuclear". [27] Más allá de mostrar la característica distintiva de la interacción débil de las otras tres fuerzas convencionales de interacción, esto eventualmente condujo a la violación general de CP , la violación de la simetría de paridad de conjugación de carga. [28] Esta violación significó que los investigadores podían 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 en día a través del Big Bang . [30] En reconocimiento a su trabajo teórico, Lee y Yang recibieron 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 alguna vez gigantes ( cíclopes ) con un solo ojo izquierdo, [uno] confesaría que se han descrito gigantes tuertos 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 descubierto es que el espacio es un gigante débil de ojo izquierdo. [32]
El descubrimiento de Wu allanaría el camino para una fuerza electrodébil unificada que Salam demostró, que teóricamente se describe como fusionada con la fuerza fuerte para crear un modelo totalmente nuevo y una Gran Teoría Unificada .
