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ウー実験は、 1956年に中国系アメリカ人の物理学者呉健雄が米国国立標準局の低温グループと共同で行った素粒子および原子核物理学の実験である。[ 1 ]この実験の目的は、電磁相互作用と強い相互作用で以前に確立されたパリティ保存則が弱い相互作用にも適用されるかどうかを確立することであった。パリティ保存則が普遍的であれば、弱い相互作用によって支配される粒子の崩壊は、他の相互作用を含む粒子の崩壊と同様の振る舞いをするはずである。パリティ変換は理論内の座標を反転させ、鏡像を作成する。理論の予測が変更されない場合、それは「パリティを保存する」と言われる。時計回りに回転する物体は、鏡像では反時計回りに回転しているように見える。ウー実験では、スピンを持つ原子系を作成し、時計回りと反時計回りのスピンに対する弱い相互作用粒子の崩壊を比較した。
この実験により、弱い相互作用によってパリティ保存則が破られることが明らかになり、左右を操作的に定義する 方法が提供された。この結果は、これまでパリティを自然界のすべての力に適用される対称性と考えていた物理学界では予想されていなかった。パリティ非保存則の考え方を提唱し、この実験を提案した理論物理学者の李政道と楊振寧は、この結果により1957年のノーベル物理学賞を受賞した。呉健雄はノーベル賞は受賞しなかったものの、楊と李のノーベル賞受賞スピーチでその発見における彼女の役割が言及された[ 2 ]が、彼女が表彰されたのは1978年、第1回ウルフ賞を授与された時であった。
現代のパリティの概念は、1927 年にユージン・ウィグナーがパリティ保存の原理(P 保存) を形式化した[ 3 ]ときに発展しました。この理論的原理の動機は、オットー・ラポルトによる鉄とヘンリー・ノリス・ラッセルによるチタンの経験的観察でした。彼らは、原子のエネルギー準位間の特定の遷移が実験スペクトルで観測されないことに気付きました。これは現在選択則と呼ばれる概念です。ウィグナーは、原子には 2 種類の準位があることを示しました。正のパリティの準位は、空間座標を反転 ( x → − x、y → − y、z → − z ) しても、同じ関数形式を持ちます。負のパリティの準位は、この座標の反転の下でこの形式の符号が変わります。同じパリティの準位間の遷移は、放出される光子が負のパリティを持つため観測されません。遷移の前後のパリティの積は、パリティを「保存」するために等しくなければなりません。[ 4 ]
この原理は、物理学者の間で広く受け入れられました。なぜなら、私たちの世界とその鏡像は、左右が反転する以外は同じように振る舞うという直感的な考えを反映しているだけだったからです（例えば、時計回りに回転する時計は、鏡像を作ると反時計回りに回転します）。[ 5 ] P保存則は、電磁相互作用と強い相互作用で実験的に検証されました。しかし、1950年代半ばに、一見同じカオン粒子の2つの異なる崩壊が観測されました。「τ 」カオンは3つのパイ中間子に崩壊しましたが、「θ」カオンは2つのパイ中間子に崩壊しました。パイ中間子は奇パリティ（-1）を持つことが知られていました。生成物の相対運動が異常でない限り、3つのパイ中間子への崩壊は奇パリティの「τ」カオン[ (-1) 3 = -1 ]を予測しましたが、2つのパイ中間子への崩壊は偶パリティの「θ」カオン[ (-1) 2 = 1 ]を予測しました。[ 6 ]
崩壊生成物の特性に関するデータが蓄積されるにつれて、これらの粒子の特性はパリティを除いてすべて同一であることが明らかになった。パリティの違反を除けば、これらは同じ粒子である可能性があった。これはτ – θパズルとして知られていた。[ 7 ] [ 6 ]
理論物理学者の李宗道と楊振寧は、すべての基本相互作用におけるパリティ保存の問題に関する文献調査を行った。彼らは、弱い相互作用の場合、実験データはパリティ保存を肯定も否定もしていないと結論付けた。[ 8 ]この情報が欠けていた理由は2つある。1つ目は、弱い相互作用はベータ崩壊で明らかになり、パリティ保存のために全過程を研究する必要があること、2つ目は、ベータ崩壊には質量を直接測定できないニュートリノが関与するため、パリティチェックへのいくつかのアプローチが妨げられることである。[ 9 ] 1956年の夏、李と楊は、ベータ崩壊分光法の専門家である呉健雄に、さまざまな実験のアイデアを持ちかけた。彼らは、コバルト60でベータ崩壊の方向性特性をテストするというアイデアに落ち着いた。ウーは画期的な実験の可能性を理解し、1956年5月末に本格的に研究を開始し、夫とのジュネーブと極東への旅行をキャンセルして、物理学界の他の研究者たちに先んじようとした。親友のヴォルフガング・パウリをはじめとするほとんどの物理学者は、それは不可能だと考え、ヤン・リーの提案に対しても懐疑的な見方を示した。[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]
実験を成功させるために解決する必要があった重要な問題は、スピンを持つ原子核からのベータ崩壊を測定しながら、極低温を作り出して維持することだった。 [ 5 ]ウーは、実験を行うために、低温物理学で豊富な経験を持つヘンリー・ブースとマーク・W・ゼマンスキーに連絡を取らなければならなかった。ブースとゼマンスキーは、ウーに国立標準局のアーネスト・アンブラーに連絡するよう勧めた。アンブラーは、1956年にNBSの低温研究所で実験が行われるよう手配した。 [ 13 ]数ヶ月にわたる技術的な困難の克服作業の後、1956年12月にウーのチームはパリティ違反を示す非対称性を観測した。[ 14 ]
呉の実験を促した李と楊は、実験が行われた直後の1957年にノーベル物理学賞を受賞した。呉の発見における役割は、受賞スピーチで言及された。 [ 2 ]親友のヴォルフガング・パウリから李と楊まで、多くの人が彼女がノーベル賞に選ばれなかったことに憤慨し、1988年のノーベル賞受賞者ジャック・スタインバーガーは、これをノーベル委員会史上最大の過ちと評した。[ 15 ]呉は賞について公には語らなかったが、スタインバーガーに宛てた手紙の中で、「賞のためだけに研究をしたわけではないが、自分の研究が何らかの理由で見過ごされたことは、やはりとても辛い」と述べている。[ 16 ]彼女が栄誉を受けたのは1978年、第1回ウルフ賞を授与された時だった。[ 17 ]
ウーの実験の目的は、ベータ崩壊を支配する弱い相互作用においてパリティが保存されるかどうかを決定することであった。ウィグナーのパリティ保存の数学的概念、すなわち座標系を反転させたときの物体またはプロセスの等価性は、鏡面反射の後に鏡面内で180°回転することに相当する。[ 5 ]コバルト60原子核はスピンを持つため、この実験の概念は回転するボールで想像することができる。[ 18 ]右手の法則の方向に回転するボールは左手で回転する鏡像を持つが、この鏡像ボールは右手の法則に従って回転する逆さまのボールと同一に見える。180°回転後には物理的な違いはない。しかし、回転するボールの上部または下部にマークがあると、反射はもはや同じには見えない。コバルト60の崩壊生成物から放出される電子が、コバルトスピン軸の方向に沿って、または反対方向に優先的に放出される場合、これはマークに類似した差異を生み出すだろう。放出確率の差異はパリティ対称性の破れを意味する。Wuら[ 1 ]が述べているように。
θと180° −θ （ここでθは親核の向きと電子の運動量の間の角度）の分布に非対称性が観察された場合、ベータ崩壊においてパリティが保存されないことの明確な証拠となる。
この考え方は、ベクトルの性質を用いて説明することもできます。コバルト60原子核はスピンを持ち、スピン角運動量はパリティの下で方向が変わりません。この性質を持つベクトルは軸ベクトルと呼ばれます。逆に、崩壊生成物が放出される方向はパリティの下で変化し、その線運動量ベクトルは極ベクトルと呼ばれます。言い換えれば、ある視点ではコバルト60原子核のスピンと崩壊生成物の放出がほぼ同じ方向であったとしても、鏡像の世界では、放出方向は反転しているがスピン方向は反転していないため、それらはほぼ反対方向になります。[ 19 ]
概念的には、この実験は「比較的単純」です。磁場を用いてCo 60を配向させ、磁場の方向と平行または逆方向に放出されるベータ線の量を測定します。 [ 20 ]数多くの課題の中には、配向の維持と監視、配向における系統的バイアスの回避、各方向に放出される電子の検出などがありました。これらの課題に対処するための対策は、実際には同時に適用することが難しい場合が多いです。たとえば、核スピンの配向を維持するには、液体ヘリウムの蒸発で達成可能な温度よりも低い温度が必要であり、反対方向での同時検出が困難になります。[ 21 ]また、冷却に磁気熱量効果を使用するには磁場を除去する必要があり、一方、原子核の整列には磁場の印加が必要です。[ 22 ]
この実験では、均一な磁場（偏極場）で整列され、熱運動によって整列が乱されないように絶対零度近くまで冷却されたコバルト60（60Co ）原子の崩壊をモニターした。 [ 4 ]コバルト60は、ベータ崩壊によってニッケル60（60Ni ）同位体の励起状態に崩壊する不安定なコバルト同位体である。この崩壊中、コバルト60原子核内の1つの中性子が電子（e⁻ ）と電子反ニュートリノ（νe ）を放出して陽子に崩壊する。結果として生じた励起ニッケル原子核は、2つのガンマ線（γ ）を連続して放出して速やかに基底状態に崩壊する。したがって、この反応の全体的な核反応式は次のようになる。
磁場を用いてコバルト60原子核を一方向に配向させ、逆磁場を用いて反対方向に配向させると、検出器は原子核スピンに対して反対側の半球に配置される。この2つの条件下で電子放出（ベータ線）のパターンが異なる場合、パリティは保存されない。
ガンマ線も実験において重要な役割を果たします。ガンマ線は光子であり、ニッケル-60原子核からの放出は電磁気過程です。これは、電磁気学がパリティ保存則を尊重することが知られており、したがってガンマ線放出パターンはパリティの変化に依存しないはずであるため重要です。ガンマ線は、コバルト-60核スピン軸の2つの方向を中心にピークを持つ分布で放出されます。ガンマ線がすべての方向に完全に均等に分布していない程度（分布の「異方性」）は、コバルト-60核スピンがどれだけ整列しているかを判断するために使用できます。[ 22 ] [ 24 ]電子放出の異方性を観測するには、スピン整列が必要です。コバルト-60原子核がランダムに配向している場合、実験ではすべての方向に放出された電子の数が等しくなります。[ 25 ]
実験では、磁場に沿った電子の放出率と、磁場に沿った方向および磁場に垂直な方向のガンマ線の放出率を計測した。これらの放出率は、反対方向に配向された偏光磁場の場合と比較された。2つの磁場方向で電子の計数率が大きく異なる場合、弱い相互作用がパリティ保存則を破っているという強い証拠が得られることになる。[ 21 ]
さらに、実験は装置がゆっくりと温まるにつれて時間経過とともに監視された。磁場の方向（極方向）とそれに垂直な方向（赤道方向）で測定されたガンマ線異方性は徐々に消失し、温度上昇に伴うスピン偏極の喪失を示した。偏極磁場の2つの方向における電子数の観測された非対称性は、ガンマ線異方性の結果と一致するはずである。[ 24 ]
この実験における実験上の課題は、 60Co原子核の高い方向性または偏極を得ることであった。スピン状態Iの通常の物質の場合、偏極の割合は原子核の磁気モーメントに比例する。印加電場Hは温度に反比例する：[ 26 ]
原子核の磁気モーメントが非常に小さいため、約1 T (10 000 G ）は極低温（約0.01 K）で必要とされ、これは実現が非常に難しい組み合わせである。[ 27 ]
常磁性元素では、不対の3dまたは4f電子が強い磁場を生成し、0.1 T (1000 G ) が原子核に作用します。この場合、分数分極は電子の分数分極に比例しますが、それ以外は印加磁場に依存しません。したがって、常磁性物質中の磁気モーメントを持つ原子核の場合、強い磁場で電子を整列させると、副次的に原子核も整列します。この概念は断熱消磁と組み合わせることができ、常磁性塩を外部磁場に置き、電子の整列によって生じた熱を液体ヘリウムを低圧にポンプすることで除去し、温度を 1.2 K にします。外部磁場を取り除くと、電子スピンのランダム化によって塩が冷却されます。 このプロセスにより、0.01 K の温度を達成できます。[ 28 ] [ 27 ]このように、内部常磁性を操作して、サンプルを冷却し、原子核を整列させる磁場を提供します。この概念はローズ[ 26 ] -ゴルター[ 28 ]法として知られるようになった。[ 29 ]
1953年にNBSチームが実証したように、セリウムマグネシウム硝酸塩のような異方性常磁性結晶を使用することで、低磁場でも高い核偏極が得られる。 [ 30 ]セリウムマグネシウム硝酸塩は、磁気冷凍に今でも好まれている常磁性塩である。[ 31 ] 結晶の磁気に敏感な軸を水平に揃えることで、水平磁場による断熱冷却が可能になり、実験の測定段階で使用される垂直磁場による再加熱を最小限に抑えることができる。[ 22 ]
呉チームは、放射性コバルトを硝酸マグネシウムセリウム結晶の表面に0.05 mm (0.002 in) の層として堆積させ、熱結合によって結晶の冷却が外側のコバルト層を冷却できるようにした。水平冷凍磁石の中央の穴を広げ、垂直ソレノイドを挿入できるスペースを確保した。これにより、コバルト原子核のスピン軸が垂直に整列し、スピンの方向は磁場の方向によって決まる。[ 1 ]
シンチレーターとして機能する薄いアントラセン結晶が、コバルトでコーティングされたCeMg硝酸塩結晶のすぐ上に配置されている。コバルト層から出てアントラセンに衝突したベータ電子は微弱な光パルスを生成し、それがルーサイト製のライトパイプを介して装置上部の光電子増倍管に伝送される。[ 30 ]
ガンマ線の生成は、赤道および極のシンチレータと光電子増倍管を使用して監視されました。これらの位置間の計数率の差は、ガンマ線異方性を測定します。この異方性は、結晶が温まり異方性が低下するにつれて、次の15分間にわたって継続的に監視されました。同様に、この温暖化期間中、ベータ線放出が継続的に監視されました。次に、ソレノイド磁場を反転させて、鏡像反転に相当するものを作成し、プロセス全体を繰り返しました。[ 1 ] [ 32 ]
Wuの論文では、核スピン偏極の2つの方向間で「大きな」ベータ放出非対称性が報告された。これはパリティが保存されていないことを示すのに十分であり、これが論文の重要な結果であった。具体的には、「ベータ粒子の放出は核スピンの方向とは逆の方向でより優先される」ことがわかった。[ 1 ] [ 34 ]
定量的な値は理論的な比較に役立つ。YangとLeeが彼らの理論論文の付録で示したように[ 20 ] 、パリティ保存のない弱い相互作用ハミルトニアンは、パリティ保存項とパリティ非保存項の間の干渉を予測する。核スピンと電子運動量ベクトルの間の 角度θの関数としての放出電子の角度分布は、次のようになる。 非対称性パラメータAを定義する。ここで、核スピンIの偏極Pは次のように定義される。 また、v / c は放出された電子の速度と光速の比である。[ 14 ] この実験では、磁場方向に沿って反対方向の2つの角度分布のみを測定し、分布に関する上記の式の部分式に対して −0.25 の値を観測した。 測定結果からv / c = 0.6が得られ、ガンマ線異方性から偏極は 0.65 であった。これらの値とバルク結晶からの電子の後方散乱補正を用いると、非対称性は −1 となる。[ 35 ]この論文では、ベータ非対称性の「下限」として −0.7 のみを主張している。この値は、観測された電子測定値をガンマ線測定値と比較し、他の調整を行うことで得られた。[ 36 ]系統的なチェックの中で、磁気冷却に使用した水平磁場を反転させたときに観測された電子非対称性の符号は変化しなかった。これは、非対称性が試料中の残留磁化によって引き起こされたものではないことを意味する。 [ 34 ] Wu と彼女のチームは、電子が核スピンとは逆の方向に優先的に放出されることを観察していた。[ 37 ]実験のその後の改良[ 38 ]により、非対称性の値は−1.01 ± 0.02。
その結果は物理学界に大きな衝撃を与えた。確認実験が開始され、数ヶ月以内に発表された。[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]一部の理論家は結果に信じられない反応を示した。NBSで働いていたジョルジュ・M・テンマーから、パリティ保存がすべての場合に真であると仮定できなくなったと知らされたヴォルフガング・パウリは、「それは全くのナンセンスだ！」と叫んだ。テンマーは、実験結果がそれを裏付けていると彼に保証したが、パウリは「では、それを繰り返さなければならない！」とぶっきらぼうに答えた。 [ 13 ] 1957年末までに、さらなる研究によりウーのグループの当初の結果が確認され、P違反が確固として確立された。[ 13 ]
核ベータ崩壊においてパリティが保存されないという発見は、崩壊で放出される電子が最大縦偏極 −v/c を持つことを意味する。すなわち、電子のスピンベクトルは運動量ベクトルとほぼ反対であり、これらが左手系座標系を定義する。[ 42 ]この結果は、Wu の結果の直後に Lee と Yang によって予測され、1957 年に直接測定によって検証された。[ 43 ]
ウーの実験はニュートリノの理論に直接的な影響を与えた。[ 44 ] 1929年、ワイルは反対のスピンを持つ粒子/反粒子のペア、つまり一方が右巻き、もう一方が左巻きを提唱した。この考えはパリティに違反するため却下された。ウーの結果により、この2成分理論が復活することができた。[ 45 ] 1956年のクリスマスパーティーで、ウーチームの論文が発表される前に、レオン・M・レーダーマンはその結果を知った。彼はリチャード・ガーウィンとマルセル・ワインリッヒとチームを組み、弱い相互作用とニュートリノが関わる2つの崩壊反応でパリティを検証した。 そして 彼らは1957年の元旦直後に実験を完了した。[ 46 ]これは、呉の実験と合わせて、2成分ニュートリノ理論の根拠を確固たるものにした。[ 44 ] 2つの粒子のどちらがどちらの手相またはヘリシティを持つかの割り当ては、1957年後半に決着した。ニュートリノは左手相である。[ 47 ]（標準的な2成分モデルでは、質量のないニュートリノが必要である。ニュートリノが質量を持つ可能性があるという最近の観測により、右手相ニュートリノが存在する可能性が開かれた。[ 48 ]）
パリティ違反の発見は、弱い相互作用の理論におけるパラメータの数が突然5項から10項に倍増したことを意味した。同一であると予想されていた項のペアが独立したものとなったのである。これらの項のペアが干渉効果を引き起こす可能性を研究する必要があった。一見揺るぎないパリティ不変性が覆されたことで、時間不変性とレプトン数の保存が再検討された。1956年以前のベータ崩壊の観測も、パリティ保存の仮定が結論を歪めているケースを探すために再分析する必要があった。[ 49 ]
ウーの実験の結果は、多くの確認実験や補完実験の検証、そして理論的扱いの変更を引き起こした。[ 45 ]この発見はパリティ革命と 呼ばれ[ 50 ] 、標準模型の開発の舞台を整えた。標準模型は、粒子と力の対称性、そして粒子が時としてその対称性を破るという考えに基づいていたからである。[ 51 ] [ 52 ]彼女の発見が広く報道されたことで、核分裂の発見者であるオットー・ロバート・フリッシュは、プリンストン大学の人々が、彼女の発見はアインシュタインの相対性理論の着想源となったマイケルソン・モーリー実験以来最も重要なものだとよく言っていたと述べている。[ 41 ] AAUWはこれを「原子および核物理学の最大の謎の解決」と呼んだ。[ 53 ]弱い相互作用が他の3つの相互作用と異なる特徴を示すことに加えて、これは最終的にCP対称性の破れ、つまり電荷共役パリティ対称性の破れの一般理論につながった。 [ 54 ]リーとヤンは、その理論的業績が認められ、1957年にノーベル物理学賞を受賞した。 [ 55 ]
ウー実験の結果は、左右の概念を操作的に定義する方法を提供する。これは弱い相互作用の性質に内在するものである。ウー実験は、左右を科学的に明確に定義するというオズマ問題を解決した。 [ 56 ]この問題の1つのバージョンは、左右の概念を伝えようとする試みを想定している。以前は、地球の科学者が新しく発見された惑星の科学者とコミュニケーションを取ろうとしたが、直接会ったことがなかった場合、それぞれのグループが相手のグループの左右を明確に判断することは不可能だった。ウー実験により、左右という言葉が何を意味するのかを、相手グループに正確かつ明確に伝えることが可能になった。[ 56 ]
