Esperimento di Wu: differenze tra le versioni

Versione delle 12:55, 6 ott 2020

Versione attuale delle 09:01, 18 ott 2025

(18 versioni intermedie di 12 utenti non mostrate)

Riga 1:

[[File:Wu_experiment_at_Bureau_of_Standards.jpg|miniatura|L'esperimento di Wu fu effettuato nel 1956 al laboratorio a basse temperature del Bureau of Standards a Washington DC. La camera del vuoto verticale, contenente il cobalto-60, i rivelatori e un solenoide, sta venendo collocato in un Dewar prima di essere inserita nel grande elettromagnete, in secondo piano, che raffredderà il radioisotopo a temperature prossime allo zero assoluto per mezzo della [[demagnetizzazione adiabatica]]. ]]

L''''esperimento di Wu''' è stato un esperimento di [[Fisica nucleare e subnucleare|fisica nucleare]] condotto nel 1956 dalla fisica sino-statunitense [[Wu Jianxiong]] (o Chien-Shiung Wu secondo la traslitterazione [[Wade-Giles]]) in collaborazione con il Low Temperature Group del National Bureau of Standards (NBS, vecchio nome del [[National Institute of Standards and Technology]]) degli Stati Uniti.<ref name="Wu1957">

L''''esperimento di Wu''' è un esperimento di [[fisica nucleare]] condotto nel 1956 dalla fisica sino-statunitense [[Wu Jianxiong]] (o Chien-Shiung Wu secondo la traslitterazione [[Wade-Giles]]) in collaborazione con il Low Temperature Group del National Bureau of Standards (NBS, vecchio nome del [[National Institute of Standards and Technology]]) degli Stati Uniti.<ref name="Wu1957">
{{Cita|Wu, Amber e Hayward|titolo=Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay}}.</ref>

Lo scopo dell'esperimento era quello di stabilire se la conservazione della [[Parità (fisica)|parità]] (conservazione-''P''), che fu precedentemente determinata per l'[[interazione elettromagnetica]] e quella [[Interazione forte|forte]], si applicasse anche all'[[interazione debole]]. Se la conservazione-''P'' fosse vera, una versione speculare del mondo (dove la sinistra è la destra e viceversa) si comporterebbe come l'immagine specchiata del nostro mondo. Se fosse violata, allora sarebbe possibile distinguere tra la versione speculare del mondo e la sua immagine specchiata.

L'esperimento stabilì che la conservazione della parità è violata dall'interazione debole. Questo risultato fu inatteso dalla comunità dei fisici che in precedenza considerava la parità come una [[Costante del moto|quantità conservata]]. [[Tsung-Dao Lee]] e [[Chen Ning Yang]], i fisici teorici che ebbero l'idea di non-conservazione della parità e proposero l'esperimento, ricevettero il [[Premio Nobel per la fisica]] nel 1957 per questo risultato. Nel discorso di accettazione del premio si fece menzione del ruolo di [[Wu Jianxiong]],<ref name="nobelPrize1957">{{Cita web|url=https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1957/ceremony-speech/|titolo=The Nobel Prize in physics in 1957|sito=The Nobel Prize|accesso=2 ottobre 2018}}</ref> ma non fu premiata fino al 1978, quando ricevette il primo [[Premio Wolf per la fisica]].

Riga 13 ⟶ 16:

|url=http://www.digizeitschriften.de/dms/img/?PPN=PPN252457811_1927&DMDID=dmdlog30

|rivista=Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen, Mathematisch Physikalische Klasse

|volume= 1927|pp=375–381375-381

}}

:riprodotto in {{cita libro

Riga 19 ⟶ 22:

|anno=1993

|titolo=The Collected Works of Eugene Paul Wigner

|volume=Vol. A |pp=84–9084-90

|editore=[[Springer (azienda)|Springer]]

|doi=10.1007/978-3-662-02781-3_7

|isbn=978-3-642-08154-5

}}</ref> il concetto secondo il quale il nostro mondo e la sua immagine specchiata si comportano allo stesso modo, con l'unica differenza che la sinistra e la destra sono invertite (per esempio, un orologio che gira in senso orario girerebbe in senso antiorario se si costruisse una sua versione specchiata).

Questo principio era largamente accettato dai fisici ed era stato verificato sperimentalmente per l'[[interazione forte]] e l'[[interazione elettromagnetica]]. Tuttavia, durante gli anni 1950, le teorie che assumevano vera la conservazione-''P'' non potevano spiegare certi decadimenti riguardanti i [[Kaone|kaoni]]. Sembravano esserci due tipi di kaoni, uno che decadeva in due [[Pione|pioni]], e l'altro che decadeva in tre pioni. Questo fatto era conosciuto come il [[puzzle τ–θ]].<ref name=Hudson/>

INel 1956, i fisici teorici [[Tsung-Dao Lee]] e [[Chen Ning Yang]] scrissero una sintesi (''literature review'') sulla questione della conservazione della parità nelle [[interazioni fondamentali]]., Concluseroconcludendo che nel caso dell'interazione debole i dati sperimentali non confermaronoconfermavano né confutaronoconfutavano la conservazione-''P''.<ref name="LeeYang1956">{{cita pubblicazione

|autore=T. D. Lee

|autore2=C. N. Yang

Riga 36 ⟶ 39:

|volume=104

|numero=1

|pp=254–258254-258

|bibcode=1956PhRv..104..254L

|doi=10.1103/PhysRev.104.254

Riga 42 ⟶ 45:

|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20160304082136/http://iktp.tu-dresden.de/uploads/media/Parity_conservation_in_weak_interactions_-_Lee_Yang.pdf

|urlmorto=sì

}}</ref> Poco dopo, discussero con [[Wu Jianxiong]], che era un'esperta di spettroscopia del decadimento beta, di varie idee per un esperimento. Deciseroe decisero infine di controllare le proprietà direzionali del decadimento beta nel [[cobalto-60]]. Wu in seguito contattò [[Henry Boorse]] e [[Mark W. Zemansky]], che erano esperti in fisica a basse temperature.; Susu richiesta didei Boorsedue e Zemanskycolleghi, Wu contattò anche [[Ernest Ambler]], del [[National Bureau of Standards]], che organizzò per effettuare l'esperimento aper dicembre 1956 nei laboratori a basse temperature del NBS.,<ref name=Hudson/> con un risultato definitivo.

Lee e Yang, che suggerirono l'esperimento, ricevettero il premio Nobel per la fisica nel 1957, poco dopo loil svolgimentosuo dell'esperimentosvolgimento. Il ruolo di Wu nella scoperta fu menzionato nel discorso di accettazione del premio,<ref name="nobelPrize1957" /> ma la scienziata fu premiata solo nel 1978, con il primo [[premio Wolf per la fisica|premio Wolf]].

== L'esperimento ==

[[File:Wu_experiment.jpg|miniatura|275x275px|Principio dell'esperimento di Wu per rilevare la violazione di parità nel decadimento beta]]

L'esperimento controllava il decadimento degli atomi di [[cobalto-60]], raffreddati a circa lo [[zero assoluto]] e allineati in un campo magnetico uniforme; la bassa temperatura era necessaria affinché l'agitazione termica non rovinasse l'allineamento.<ref name="Hudson"/><ref>{{Cita pubblicazione|autore=Andrzej K. Wróblewski|anno=2008|titolo=The Downfall of Parity-the Revolution That Happened Fifty Years Ago|rivista=[[Acta Physica Polonica]]|volume=39|numero=2|lingua=en|url=https://inspirehep.net/record/807786/files/v39p0251.pdf}}</ref> Il cobalto-60 (⁶⁰Co) è un isotopo [[Radionuclide|instabile]] del cobalto che decade per [[decadimento beta]] nell'isotopo stabile nichel-60 (⁶⁰Ni). Durante questo decadimento, uno dei [[Neutrone|neutroni]] del nucleo del cobalto-60 decade in un [[protone]] per emissione di un [[elettrone]] (e^&#x2212;) e di un [[Neutrino elettronico|antineutrino elettronico]] ({{Overline|&nu;}}_e). Questo trasforma il nucleo del cobalto-60 in un nucleo di nichel-60. Il nucleo di nichel risultante, tuttavia, è in uno [[Eccitazione (meccanica quantistica)|stato eccitato]] e decade immediatamente al suo stato fondamentale per emissione di due [[raggi gamma]] (&#x3B3;). Perciò l'equazione nucleare completa è:

: <math>{}^{60}_{27}\text{Co} \rightarrow {}^{60}_{28}\text{Ni} + e^- + \bar{\nu}_e + 2{\gamma}</math>

I raggi gamma sono fotoni, e il loro rilascio dai nuclei di nichel-60 è un processo [[Interazione elettromagnetica|elettromagnetico]] (EM). Questo è importante perché è noto che l'interazione EM rispettirispetta la conservazione-P. Quindi, la distribuzione dei raggi gamma emessi è servita come controllo della polarizzazione degli elettroni emessi tramite l'interazione debole, nonché come indicatore dell'uniformità dei nuclei di cobalto-60. L'esperimento di Wu ha paragonato la distribuzione delle emissioni dei gamma e degli elettroni con gli spin nucleari in orientazioni opposte. Se gli elettroni fossero sempre visti emessi nella stessa direzione e nella stessa proporzione dei raggi gamma, sarebbe vera la conservazione-''P''. Se ci fosse una direzione preferita di decadimento, ovvero, se la distribuzione degli elettroni non seguisse la distribuzione dei raggi gamma, allora ci sarebbe la violazione-''P''.

=== Metodi e materiali ===

Riga 60 ⟶ 63:

Il sale fu magnetizzato lungo l'asse di alto fattore-g, e la temperatura fu abbassata a 1,2 K pompando l'elio a bassa pressione. Spegnere il campo magnetico orizzontale ha portato la temperatura a circa 0,003 K. Il magnete orizzontale fu aperto, lasciando lo spazio per inserire e accendere un solenoide verticale per allineare i nuclei di cobalto o verso l'alto o verso il basso. Il campo magnetico del solenoide causò un aumento di temperatura trascurabile, dato che l'orientazione di quel campo magnetico era nella direzione di basso fattore-g. Questo metodo per ottenere un'elevata polarizzazione di nuclei di ⁶⁰Co fu ideato da Gorter<ref name="Gorter1948">

{{Cita pubblicazione|autore=C. J. Gorter|anno=1948|titolo=A New Suggestion for Aligning Certain Atomic Nuclei|rivista=Physica|volume=14|numero=8|p=504|doi=10.1016/0031-8914(48)90004-4|bibcode=1948Phy....14..504G}}</ref> e Rose.<ref name="Rose1949">

{{Cita pubblicazione|autore=M. E. Rose|anno=1949|titolo=On the Production of Nuclear Polarization|url=https://archive.org/details/sim_physical-review_1949-01-01_75_1/page/n215|rivista=[[Physical Review]]|volume=75|numero=1|p=213|doi=10.1103/PhysRev.75.213|bibcode=1949PhRv...75Q.213R}}</ref>

La produzione dei raggi gamma veniva monitorata usando dei contatori polari ed equatoriali come misura della polarizzazione. La polarizzazione dei raggi gamma era continuamente monitorata durante il quarto d'ora mentre il cristallo si scaldava e l'anisotropia smetteva. Allo stesso modo, anche le emissioni dei raggi beta furono continuamente monitorate durante questo periodo di riscaldamento.<ref name="Wu1957"/>

=== Risultati ===

Nell'esperimento effettuato da Wu, la polarizzazione dei raggi gamma era circa del 60%.<ref name="Wu1957"/> Vale a dire che circa il 60% dei raggi gamma era emesso in una direzione, mentre il 40% nell'altra. Se valesse la conservazione-''P'' per il decadimento beta, gli elettroni non avrebbero una direzione di decadimento preferita in relazione allo spin nucleare. Tuttavia, Wu osservò che gli elettroni venivano emessi preferibilmente in direzione opposta a quella dei raggi gamma, il che significa che la maggior parte degli elettroni preferiva una specifica direzione di decadimento, opposta a quella dello spin nucleare.<ref name="Wu1957" /> Si determinò in seguito che la violazione-''P'' fosse di fatto massima.<ref name="Hudson"/><ref>

{{Cita pubblicazione|autore=G. Ziino|anno=2006|titolo=New Electroweak Formulation Fundamentally Accounting for the Effect Known as "Maximal Parity-Violation"|rivista=International Journal of Theoretical Physics|volume=45|numero=11|pp=1993–20501993-2050|doi=10.1007/s10773-006-9168-2|bibcode=2006IJTP...45.1993Z}}</ref>

I risultati furono sorprendenti per la comunità scientifica.<ref name="Hudson">{{Cita libro|autore=R. P. Hudson|curatore=Lide|titolo=A Century of Excellence in Measurements, Standards, and Technology|collana=NIST Special Publication 958|anno=2001|editore=[[National Institute of Standards and Technology]]|capitolo=Reversal of the Parity Conservation Law in Nuclear Physics|url_capitolo=http://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/sp958-lide/111-115.pdf|ISBN=978-0-8493-1247-2}}</ref> Molti ricercatori cercarono di riprodurre i risultati del gruppo della Wu,<ref>

{{Cita pubblicazione|autore=Garwin|nome=R. L.|anno=1957|titolo=Observations of the failure of conservation of parity and charge conjugation in meson decays: the magnetic moment of the free muon|rivista=[[Physical Review]]|volume=105|numero=4|pp=1415–14171415-1417|doi=10.1103/PhysRev.105.1415|bibcode=1957PhRv..105.1415G|url=http://www.fas.org/rlg/021557%20Garwin-Lederman-Weinrich.pdf|autore2=Lederman|autore3=Weinrich|nome2=L. M.|nome3=M.}}</ref><ref>{{Cita pubblicazione|autore=Ambler|nome=E.|anno=1957|titolo=Further Experiments on Decay of Polarized Nuclei|rivista=[[Physical Review]]|volume=106|numero=6|pp=1361–13631361-1363|doi=10.1103/PhysRev.106.1361|bibcode=1957PhRv..106.1361A|url=http://puhep1.princeton.edu/~kirkmcd/examples/EP/ambler_pr_106_1361_57.pdf|autore2=Hayward|autore3=Hoppes|nome2=R. W.|nome3=D. D.|accesso=6 luglio 2019|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20131203040203/http://puhep1.princeton.edu/~kirkmcd/examples/EP/ambler_pr_106_1361_57.pdf|dataarchivio=3 dicembre 2013|urlmorto=sì}}</ref> mentre altri furono scettici dei risultati. [[Wolfgang Pauli]], dopo essere stato informato da Georges M. Temmer, che lavorò anch'egli al NBS, che non si sarebbe più potuto assumere vera la conservazione-''P'', esclamò "Non ha assolutamente senso!" Temmer lo assicurò che i risultati dell'esperimento confermarono questo, al che Pauli rispose "Allora deve essere ripetuto!"<ref name="Hudson" /> Alla fine del 1957, ulteriori ricerche confermarono i risultati originali del gruppo della Wu, e la violazione-''P'' fu fermamente stabilita.<ref name="Hudson" />

== Meccanismo e conseguenze ==

Riga 77 ⟶ 80:

|anno=2005

|titolo=The New Ambidextrous Universe: Symmetry and Asymmetry from Mirror Reflections to Superstrings

|url=https://archive.org/details/newambidextrousu00mart

|pp=215–218

|pp=[https://archive.org/details/newambidextrousu00mart/page/215 215]–218

|edizione=3

|editore=[[Courier Corporation]]

Riga 83 ⟶ 87:

}}</ref>

Al livello delle particelle fondamentali (come raffigurato nel [[diagramma di Feynman]] sulla destra), il decadimento beta è causato dalla conversione del [[quark down]] ([[carica elettrica]] negativa -1/3) nel [[quark up]] (carica elettrica positiva +2/3) per emissione di un bosone {{Particella subatomica|W boson-}}; il bosone {{Particella subatomica|W boson-}} successivamente decade in un elettrone e in un antineutrino elettronico:

:{{Particella subatomica|down quark}} → {{Particella subatomica|up quark}} + {{Particella subatomica|Electron}} + {{Particella subatomica|Electron Antineutrino}}.

Il quark ha una parte sinistra e una parte destra. Mentre si muove nello [[spaziotempo]], oscilla tra la parte sinistra e destra e viceversa. Analizzando la dimostrazione della violazione di parità, si può dedurre che solo la parte sinistra del quark down decade e l'interazione debole coinvolge solo la parte sinistra dei quark e dei leptoni (o la parte destra degli antiquark e degli antileptoni). La parte destra della particella non sente l'interazione debole. Se il quark down non avesse massa non oscillerebbe, e la sua parte destra sarebbe piuttosto stabile di per sé; invece, siccome il quark down ha massa, oscilla e decade.<ref name="LedermanHill2013">

{{cita libro|autore=L. M. Lederman|autore2=C. T. Hill|titolo=Beyond the God Particle|url=https://archive.org/details/beyondgodparticl0000lede|anno=2013|editore=Prometheus Books|pp=125–126[https://archive.org/details/beyondgodparticl0000lede/page/125 125]–126|isbn=978-1-61614-802-7}}</ref>

Da esperimenti come quello di Wu e [[Esperimento di Goldhaber|quello di Goldhaber]], si è determinato che i neutrini senza massa devono essere sinistrorsi, mentre gli antineutrini devono essere destrorsi. Dato che è attualmente noto che i neutrini hanno una piccola massa, è stato proposto che potessero esistere anche i neutrini destrorsi e gli antineutrini sinistrorsi. Questi neutrini non si accoppierebbero con la lagrangiana debole e interagirebbero solo con la gravità, possibilmente formando una parte della [[materia oscura]] dell'universo.<ref name=RHNeutrinosReview>

{{cita pubblicazione

|autore=M. Drewes

Riga 96 ⟶ 100:

|titolo=The Phenomenology of Right Handed Neutrinos

|rivista=International Journal of Modern Physics E

|volume=22 |numero=8 |pp=1330019–5931330019-593

|arxiv=1303.6912

|bibcode=2013IJMPE..2230019D

Riga 106 ⟶ 110:

== Bibliografia ==

* {{Cita pubblicazione|autore=Wu Jianxiong|data=1957-02-15|titolo=Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay|rivista=Physical Review|volume=105|numero=4|pp=1413–14151413-1415|lingua=en|accesso=2019-09-14|doi=10.1103/PhysRev.105.1413|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRev.105.1413|cid=Wu, Amber e Hayward|autore2=E. Ambler|autore3=R. W. Hayward}}

== Voci correlate ==

Riga 119 ⟶ 123:

{{Portale|fisica}}

[[Categoria:Scienza nel 1956]]

[[Categoria:Esperimenti di fisica delle particelle|Wu]]