Łamanie parzystości


Hipoteza, że symetria parzystości jest łamana w oddziaływaniach słabych została sformułowana latem 1956 przez Tsung Dao Lee i Chen Ning Yanga, którzy podali też, w jakich procesach ten efekt mógłby być objawiać. W grudniu tegoż roku, Chien Shiung Wu, z Uniwersytetu w Columbii, przeprowadzała jeden z zaproponowanych pomiarów - rozpadu b+ jąder kobaltu 60Co. Za odkrycie, że powstające w rozpadzie pozytony są emitowane niesymetrycznie, w zależności od orientacji jąder kobaltu, cała trójka otrzymała nagrodę Nobla.

Jeszcze przed ogłoszeniem przez C.S.Wu wyników, w pierwszy weekend 1957 roku, Leon Lederman* przeprowadził prosty i niezwykle wymowny eksperyment. Łamanie symetrii zostało pokazane dla rozpadu mionów. Doświadczenie miało na celu sprawdzenie, czy w wyniku rozpadu pionów na miony najpierw, a następnie mionów na elektrony, emisja powstającej cząstki zachodzi w ściśle określonym kierunku, uzależnionym od kierunku spinu cząstki macierzystej.

Jak w ciągu weekendu złamaliśmy parzystość

opowiada profesor Leon Lederman**

** Tekst pochodzi z książki:
"Boska cząstka. Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?"
Leon Lederman i Dick Teresi
Prószyński i S-ka, Warszawa 1996, str. 354-372, skrót GK
Copyright by Leon Lederman and Dick Teresi 1993
Copyright for the Polish Edition by Prószyński i S-ka 1996

*) Tego samego autora są odkrycia: 1) długożyciowego kaonu [str. 402]
2) neutrin mionowych z reakcji rozpadu mionów m+-> e+ + ne + nm [str. 393]
3) "dennego" mezonu bb [str.435]


Boska cząstka. Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?

Piątek, 4 stycznia, godzina dwunasta w południe. Zgodnie z utartą tradycją w piątki jadaliśmy lunch w chińskiej restauracji. Przedostatnim daniem tego piątkowego lunchu był wielki karp duszony w sosie z czarnej fasoli z szalotkami i porami. Gdy go spożywaliśmy, Lee wciąż powtarzał, że - jak głosiła fama - efekt obserwowany przez Wu okazał się wielki, ponad dziesięciokrotnie większy od spodziewanego. Były to nieoficjalne, wstępne dane, ale (T.D. podał mi głowę ryby, wiedząc, że bardzo ją lubię) jeśli udało się zaobserwować tak znaczący efekt, to tego moglibyśmy się spodziewać, gdyby neutrina były dwu-... Dalszy ciąg zdania nie dotarł do mnie, bo nagle zaczął mi kiełkować w głowie pewien pomysł.

Po lunchu miałem seminarium, radę wydziału, spotkanie przy herbacie i kolokwium. Brałem udział w tych wszystkich zajęciach, ale duchem byłem zupełnie gdzie indziej. Myśl, że Wu obserwował "duży efekt" nie dawała mi spokoju.

O szóstej po południu podążałem już na północ, na kolację w Dobbs Ferry a stamtąd miałem jechać na spokojny dyżur z moim doktorantem w pobliskim Laboratorium Nevis w Irving nad rzeką Hudson. [..] Duży ruch, jaki panuje w piątkowe wieczory na autostradzie Tartacznej Strugi, zazwyczaj nie pozwala się nacieszyć pięknym widokiem lesistych wzgórz otaczających drogę ciągnącą się wzdłuż rzeki Hudson. To gdzieś tu zaświtało mi, jakie możliwości otwiera przed nami "duży efekt" [...]

A teraz najważniejsza myśl kierowcy, który pewnego styczniowego piątku zmierzał na północ: jeśli wszystkie (albo prawie wszystkie) miony zrodzone w procesie rozpadu pionów miałyby spiny skierowane w tę samą stronę, to oznaczałoby to, że w reakcji "pionŽmion" parzystość jest złamana. [...] Zanim zjechałem z autostrady w Yonkers ogarnęło mnie podniecenie. Właściwie nie wątpiłem już, że jeśli parzystość jest silnie złamana, to powinniśmy otrzymać spolaryzowane miony (wszystkie spiny zwrócone w tę samą stronę. Dłonie zaczęły mi się pocić, gdy tak powtarzałem sobie, co powinniśmy zrobić. [...]

Gdy znalazłem się w domu, gdzie zjadłem szybko kolację i trochę pobaraszkowałem z dziećmi, zatelefonował Richard Garwin, fizyk pracujący dla IBM- "Słuchaj, Dick, mam świetny pomysł, jak w prosty sposób sprawdzić łamanie parzystości - Może byś wpadł do laboratorium i trochę nam pomógł?". Garwin mieszkał w pobliżu, w Scarsdale. O ósmej wieczorem rozmontowywaliśmy już aparaturę pewnego bardzo skonfundowanego i zaniepokojonego doktoranta. [...] O północy wszystko było gotowe. Pracowaliśmy z wielkim pośpiechem, bo akcelerator jest zawsze wyłączany w soboty o ósmej rano w celu przeprowadzenie napraw i przeglądów.

O pierwszej w nocy liczniki rejestrowały już dane [...] Po paru godzinach zbierania danych uwidoczniła się już wyraźna różnica między ilością elektronów wyemitowanych w położeniach 0° i 180° względem wektora osi spinu. Dane były prowizoryczne i wprawiały nas w nastrój podnieconego na poły optymizmem, na poły sceptycyzmem. Gdy o ósmej rano przejrzeliśmy uzyskane wyniki stwierdziliśmy, że sceptycyzm miał swe uzasadnienie. Teraz dane były znacznie mniej przekonywujące, niesprzeczne z hipotezą, że dopuszczalne są wszystkie kierunki emisji; wskazywały na zachowanie lustrzanej symetrii.

Błagaliśmy operatorów, żeby dali nam jeszcze parę godzin, ale bez skutku. Harmonogram - rzecz święta. Przygnębieni zeszliśmy do hali akceleratora, gdzie znajdowała się aparatura. Tu stanęliśmy oko w oko z apokalipsą; akrylowy cylinder, na który nawinęliśmy przewód, stopił się i powykrzywiał na skutek wydzielonego przez prąd ciepła. W wyniku tego wypadł blok grafitowy. A zatem miony nie docierały do pola magnetycznego, które dla niech przygotowaliśmy. Poobwiniawszy się trochę nawzajem (i tak wiadomo, że zawsze winien jest student), nabraliśmy otuchy. Może jednak nasze pierwsze wrażenie było słuszne.

Zaplanowaliśmy, co musimy zrobić podczas weekendu. [...] Wszyscy trzej poszliśmy do swych domów, żeby się trochę przespać. Spotkaliśmy się znów o drugiej po południu. Ciężko pracowaliśmy przez cały weekend, każdy nad przydzielonym mu zadaniem. [...] Praca powoli posuwała się do przodu. W poniedziałek rano wieści o naszych gorączkowych działaniach dotarły do załogi operatorów akceleratora i niektórych naszych kolegów. Konserwatorzy wykryli poważne usterki w maszynie - nici z poniedziałku. Wiązka mogła być uruchomiona najwcześniej we wtorek o ósmej rano. No cóż, więcej czasu na ostatnie przygotowania, dopieszczanie szczegółów i sprawdzanie [...]

O szóstej wieczorem w poniedziałek, przed zapowiedzianym terminem, maszyna zaczęła dawać znaki życia. Przyspieszyliśmy przygotowania, sprawdziliśmy wszystkie urządzenia i układy. Zauważyłem, że nasza tarcza, ustawiona na dziesięciocentymetrowej podstawce, sprawiała wrażenie ustawione trochę za nisko. Zmierzyłem, co trzeba, i okazało się, że rzeczywiście powinna być wyżej. Rozejrzałem się wokół w poszukiwaniu czegoś, co mogłoby podnieść ją o dwa, trzy centymetry. Dojrzałem leżącą w kącie puszkę po kawie, w której tkwiły drewniane śruby. Wyrzuciłem więc podstawkę, a blok ustawiłam na puszcze. Doskonale! (Smithsonian Institute chciał później pożyczyć od nas tę puszkę, żeby powtórzyć eksperyment, ale nie mogliśmy jej znaleźć).[...]

Kwadrans po godzinie 19 wiązka osiągnęła już standardowe natężenie, tarcza wytwarzająca piony została zdalnie ustawiona w odpowiednim miejscu. Natychmiast przeliczniki zaczęły rejestrować nadchodzące cząstki. Obserwowałem ten rząd przeliczników, który miał podawać liczbę elektronów emitowanych w rozmaitych odstępach czasu po zatrzymaniu mionów. Liczby były wciąż bardzo małe: 6,13, 8....

Garwin przyjechał około wpół do dziesiątej. Postanowiłem przespać się trochę i zastąpić go od szóstej rano następnego dnia. Bardzo powoli jechałem do domu. Byłem na nogach od ponad dwudziestu godzin i ze zmęczenia nawet nie czułem już głodu. Zdawało mi sę, że telefon zadzwonił, ledwie zdążyłem przyłożyć głowę do poduszki. Zegar wskazywał trzecią w nocy. To był Garwin: "Lepiej przyjeżdżaj, udało się!" O godzinie 3.25 zaparkowałem przed laboratorium i popędziłem do środka. Garwin wkleił wydruki z przeliczników do księgi laboratoryjnej. Liczby obezwładniały swą jednoznacznością. Ponad dwa razy więcej elektronów było emitowanych w położeniu 0° niż w położeniu 180°. Przyroda odróżniała spin prawoskrętny od lewoskrętnego. [...]

Trudno wyrazić, jak bardzo zaskakujące były nasze wyniki dla fizyków. Rzuciliśmy wyzwanie, czy raczej ostatecznie podważyliśmy powszechnie wyznawane przekonanie, że przyroda wykazuje lustrzaną symetrię. W późniejszych latach obalono także i inne rodzaje symetrii. Ale ten pierwszy eksperyment stanowił wstrząs dla wielu teoretyków, w tym także dla Wolfganga Pauliego, który powiedział to słynne zdanie: "Nie mogę uwierzyć, by Bóg był słabym mańkutem".



© GK