Η πειραματική απόρριψη μιας αρχής διατήρησης

Η Chien-Shiung Wuτο 1963 στο Πανεπιστήμιο Columbia

Μεταξύ των Χριστουγέννων του 1956 και της Πρωτοχρονιάς του 1957, οι φυσικοί του NBS (National Bureau of Standards) Ambler,  Hayward, Hoppes και Hudson, υπό την καθοδήγηση της καθηγήτριας του Πανεπιστημίου Columbia Chien Shiung Wu, πραγματοποιούσαν ένα ιστορικό πείραμα που αποδείκνυε την παραβίαση της ομοτιμίας (parity). Συγκεκριμένα απέδειξαν ότι η διάσπαση β, μια εκδήλωση της ασθενούς αλληλεπίδρασης, δεν έχει κατοπτρική συμμετρία, που σήμαινε ότι δεν είναι όλοι νόμοι της φύσης αμφιδέξιοι.

Η αρχή διατήρησης της ομοτιμίας, το αναλλοίωτο σε μετασχηματισμούς αναστροφής χώρου, πιο απλά, η συμμετρία αριστερού-δεξιού, μεταφέρθηκε από την κλασική στην κβαντική φυσική από τον Wigner προς το τέλος της δεκαετίας του 1920, παίρνοντας μια θέση στο βάθρο των «αναμφισβήτητων» αρχών διατήρησης.

Έτσι, όταν το 1929 ο Weyl πρότεινε μια κυματική εξίσωση Dirac δυο συνιστωσών για σωματίδια με μηδενική μάζα και σπιν ½, ο Pauli την απέρριψε ακριβώς επειδή παραβίαζε την αρχή διατήρησης της ομοτιμίας (Η εξίσωση Weyl αποκαταστάθηκε πολύ αργότερα, μετά την ανακάλυψη της μη διατήρησης της ομοτιμίας).
Μέχρι τα της δεκαετίας του 1950, οι φυσικοί δεν αμφισβητούσαν το δόγμα της διατήρησης της ομοτιμίας, παρότι όπως απεδείχθη εκ των υστέρων τα πειραματικά δεδομένα έδιναν ενδείξεις για την παραβίασή της.

Εκείνη την εποχή προβλημάτιζε τους φυσικούς το παράδοξο τ – θ.

Τα σωματίδια τ⁺ και θ⁺ είχαν την ίδια μάζα, ίδιο φορτίο, ίδιο χρόνο ζωής, όμως το ένα αποσυντίθετο σε δυο πιόνια: (θ⁺→ π⁺ + π⁰),
ενώ το άλλο σε τρία: τ⁺→ π⁺ + π⁰ + π⁰ ή π⁺ + π⁺ + π⁻

Υπήρχε η υποψία ότι πρόκειται για δυο διαφορετικούς τρόπους διάσπασης του ίδιου σωματιδίου, αλλά αυτό δεν μπορούσαν να το δεχτούν διότι η ομοτιμία του σωματιδίου θ ήταν διαφορετική από αυτή του σωματιδίου τ. Τα δυο σωματίδια έπρεπε να θεωρούνται διαφορετικά, γιατί αλλιώς παραβιαζόταν η αρχή διατήρησης της ομοτιμίας. Αν όλοι οι νόμοι της φυσικής είναι κατοπτρικά συμμετρικοί – έχουν συμμετρία ανάλογη με εκείνη ενός αντικειμένου και του ειδώλου του στον καθρέπτη, τότε ένα σωματίδιο που διασπάται σε δυο σωματίδια δεν μπορεί να διασπάται και σε τρία.

Το πρόβλημα μελέτησαν οι Tsung Dao Lee και ο Chen Ning Yang, και το 1956 πρότειναν ότι μια λύση του προβλήματος ήταν η παραβίαση της ομοτιμίας. (Question of Parity Conservation in Weak Interactions)

Μάλιστα μελετώντας τα αποτελέσματα παλαιότερων πειραμάτων με έκπληξη διαπίστωσαν ότι αυτά έδιναν ενδείξεις παραβίασης της διατήρηση της ομοτιμίας. Υπέδειξαν μάλιστα πειράματα διαμέσου των οποίων θα μπορούσε να αποδειχθεί η μη διατήρηση της ομοτιμίας. Ένα από αυτά ήταν η μέτρηση της γωνιακής κατανομής των ηλεκτρονίων που προέρχονται από τις διασπάσεις β προσανατολισμένων πυρήνων.
Λίγους μήνες μετά οι Chien-Shiung Wu, Ernest Ambler, Raymond W. Hayward, Dale D. Hoppes και Ralph P. Hudson πραγματοποίησαν το πείραμα αυτό χρησιμοποιώντας την διάσπαση β του ⁶⁰Co:

Χρησιμοποιώντας μαγνητικό πεδίο προσανατόλιζαν τους πυρήνες κοβαλτίου έτσι ώστε η κατεύθυνση των σπιν τους να είναι παράλληλοι με το μαγνητικό πεδίο. Αν ίσχυε η αρχή διατήρησης της ομοτιμίας στην διάσπαση β, τότε η ένταση της ακινοβολίας β θα έπρεπε να είναι ίδια και στις δυο κατευθύνσεις κατά μήκος της διεύθυνσης του σπιν.

Η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε για την απόδειξη της μη διατήρηση της ομοτιμίας στην διάσπαση β. Φαίνονται οι φυσικοί Ernest Ambler, Raymond W. Hayward, Dale D. Hoppes, και Ralph P. Hudson. Από την φωτογραφία λείπει η Chien-Shiung Wu.

Παρατηρήθηκε μεγάλη ασυμμετρία, με την εκπομπή των ηλεκτρονίων να είναι μεγαλύτερη προς την αντίθετη κατεύθυνση των σπιν των πυρήνων κοβαλτίου. (Wu et al: Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay)

Τα αποτελέσματα απέδειξαν ότι οι Lee και Yang είχαν δίκιο: Η ομοτιμία του χώρου δεν διατηρούνταν στις ασθενείς αλληλεπιδράσεις. Το ίδιο απέδειξαν και τα πειράματα που μελετούσαν την μεσονική διάσπαση, των Richard Garwin, Leon Lederman και Merkel Weinrich, αλλά και των Jerome Friedman και Valentine Telegdi που εφάρμοζαν μια διαφορετική τεχνική.

Οι Chen Ning Yang και Tsung-Dao (T.D.) Lee ήταν οι πρώτοι που υπέδειξαν ότι η κατοπτρική συμμετρία παραβιάζεται. Τιμήθηκαν με το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1957 για την διεισδυτική έρευνά τους σχετικά με τους νόμους της ομοτιμίας, η οποία οδήγησε σε σημαντικές ανακαλύψεις στη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων.

Ο Feynman, πριν γίνουν τα πειράματα, στοιχημάτιζε 50:1 ότι η ομοτιμία διατηρείται, όπως και Pauli, ο οποίος έγραφε στον Weisskopf ότι «δεν πιστεύω πως ο θεός είναι ένας ασθενής αριστερόχειρας» και ότι «είμαι έτοιμος να στοιχηματίσω ένα μεγάλο ποσό» υπέρ της διατήρησης της ομοτιμίας. Μάλιστα, όταν ο Pauli πληροφορήθηκε τα πειραματικά αποτελέσματα της Wu εξοργίστηκε, τα θεώρησε λανθασμένα και απαίτησε επανάληψη του πειράματος! Και μόνο η στάση αυτών των δύο μεγάλων φυσικών αρκεί για να δείξει την έκπληξη της επιστημονικής κοινότητας από την πειραματική απόρριψη μιας «αρχής διατήρησης» …

πηγή: www.aps.org