Vu eksperimenti

Vu eksperimenti – 1956-cı ildə çinli amerikalı fizik Tsien-Şianq Vu tərəfindən ABŞ Milli Standartlar Bürosunun Aşağı Temperatur Qrupu ilə birgə həyata keçirilən zərrəciklər və nüvə fizikası təcrübəsi idi. Təcrübənin məqsədi elektromaqnit və güclü qarşılıqlı təsirlərdə müəyyən edilmiş paritetin (və ya cütlük) saxlanmasının zəif qarşılıqlı təsirlərə də tətbiq edilib-edilmədiyini müəyyən etmək idi. Əgər P-saxlanması doğru olsaydı, dünyanın güzgü versiyası özünü indiki dünyanın güzgüdəki əksi kimi aparardı. Əgər P-saxlanması pozulsaydı, onda dünyanın güzgü versiyası ilə indiki dünyanın güzgü görüntüsünü ayırd etmək mümkün olardı.

Təcrübə paritetin qorunmasının zəif qarşılıqlı təsirdə pozulduğunu, belə ki, insan bədəninə istinad etmədən sol və sağı operativ şəkildə müəyyən etməyə imkan verdiyini müəyyən etdi. Bu nəticəni pariteti qorunan kəmiyyət kimi qəbul edən fizika ictimaiyyəti gözləmirdi. Paritetin pozulması ideyasını irəli sürən və təcrübəni təklif edən nəzəri fiziklər Tsunq-Dao Li və Tsen-Ninq Yanq bu nəticəyə görə 1957-ci ildə Fizika üzrə Nobel mükafatını aldılar. Tsien-Şianq Vunun kəşfdəki rolu Nobel mükafatının qəbul nitqində qeyd edilsə də, o bu mükafata layiq görülmədi, lakin 1978-ci ilə Volf mükafatını qazandı.

 Tarixi 
1927-ci ildə Yucin Viqner paritetin qorunması prinsipini irəli sürdü,Reprinted in  bu ideyaya görə, mövcud dünya və onun güzgü görüntüsü olan dünya eyni şəkildə davranmalıdır yeganə fərq ondandır ki, sol və sağ yer dəyişir (məsələn, saat əqrəbi istiqamətində fırlanan bir saatın güzgüdəki versiyası qurulsaydı, o saat əqrəbinin əksinə fırlanırdı).

Bu prinsip fiziklər tərəfindən geniş şəkildə qəbul edildi və P-saxlanması elektromaqnit və güclü qarşılıqlı təsirlərdə eksperimental olaraq təsdiqləndi. Bununla belə, 1950-ci illərin ortalarında kaonlarla əlaqəli müəyyən parçalanmalar P-saxlanmasının doğru olduğunun fərz edildiyi mövcud nəzəriyyələrlə izah edilə bilmirdi. İki növ kaonun mövcudluğu bilinirdi, bunlardan biri iki piona, digəri isə üç piona çevrilirdi. Bu,  problemi olaraq bilinir.

Nəzəri fiziklər Tsunq-Dao Li və Tsen-Ninq Yanq bütün fundamental qarşılıqlı təsirlərdə paritetin qorunması məsələsi ilə bağlı ədəbiyyat araşdırması apardılar. Belə ki, onlar Zəif qarşılıqlı təsirdə eksperimental məlumatların P-saxlanmasını nə təsdiq, nə də təkzib etdiyi qənaətinə gəldilər. Qısa müddət sonra onlar beta parçalanması spektroskopiyası üzrə mütəxəssis olan Tsien-Şianq Vuya müxtəlif təcrübə fikirləri ilə müraciət etdilər. Onlar kobalt-60 nüvəsində beta parçalanmasının istiqamətləndirici xüsusiyyətlərini sınaqdan keçirmək ideyası üzərində dayandılar. Vunun ağlına əsaslı bir təcrübə gəldi və 1956-cı il may ayının sonunda əri ilə birlikdə Cenevrə və Uzaq Şərqə planlaşdırılan səfərini ləğv edərək ciddi işə başladı. Yaxın dostu Volfqanq Pauli kimi əksər fiziklər bunun qeyri-mümkün olduğunu düşünürdülər.

Vu eksperimentini həyata keçirmək üçün aşağı temperatur fizikasında böyük təcrübəyə malik olan Henri Burz və Mark V. Zemanski ilə əlaqə saxlamalı oldu. Burz və Zemanskinin göstərişi ilə Vu Milli Standartlar Bürosundan Ernest Ambler ilə əlaqə saxladı və o, 1956-cı ildə MSB-nin aşağı temperatur laboratoriyalarında təcrübənin keçirilməsini təşkil etdi. Texniki çətinliklərin aradan qaldırılmasına gedən bir neçə aylıq işdən sonra Vu komandası 1956-cı ilin dekabrında paritet pozuntusunu göstərən asimmetriya müşahidə etdi.

Vu eksperimentinə təkan verən Li və Yanq 1957-ci ildə eksperiment həyata keçirildikdən qısa müddət sonra Fizika üzrə Nobel mükafatına layiq görüldülər. Vunun kəşfdəki rolu Nobel mükafatının qəbul nitqində qeyd edilsə də, o bu mükafata layiq görülmədi, lakin 1978-ci ilə Volf mükafatını qazandı. 1988-ci il Nobel mükafatı laureatı Cek Şteinberqer bunu Nobel komitəsinin tarixində ən böyük səhv kimi qələmə verməsi onun yaxın dostu Volfqanq Paulidən tutmuş Li və Yanqa qədər çoxları qəzəbləndi. Vu mükafatla bağlı hisslərini açıq şəkildə müzakirə etmədi, lakin Şteinberqerə yazdığı məktubda demişdi: "Mən yalnız mükafat üçün araşdırma etməsəm də, müəyyən səbəblərdən işimin diqqətdən kənarda qalması məni çox incidir."

 Nəzəriyyə 
Müəyyən bir qarşılıqlı təsirdə paritet simmetriyası qorunursa, bu o deməkdir ki, əgər sol və sağ bir-birini əvəz etsəydi, qarşılıqlı əlaqə dəyişmədən əvvəl olduğu kimi davranardı. Bunun başqa bir ifadə üsulu, yalnız paritetinə görə fərqlənən iki dünyanın qurulduğunu təsəvvür etməkdir – "real" dünya və sol və sağın dəyişdirildiyi "güzgü" dünya. Əgər qarşılıqlı təsirdə paritet simmetrikdirsə, hər iki "dünyada" eyni nəticələr verir.
Vu təcrübəsinin məqsədi "kobalt-60"ın parçalanma məhsullarının üstünlüklü olaraq bir istiqamətə yayılıb yayılmadığına baxaraq zəif qarşılıqlı təsirdə bunun olub-olmadığını müəyyən etmək idi. Zəif qarşılıqlı təsirdə paritet qorunsa idi, parçalanma emissiyaları bütün istiqamətlərdə bərabər ehtimallı olardı. Əgər θ və 180° − θ (burada θ ana nüvələrin oriyentasiyası ilə elektronların impulsu arasındakı bucaqdır) arasında paylanmada asimmetriya müşahidə olunarsa, bu, beta parçalanmasında paritetin saxlanmadığını birmənalı sübut edərdi. Vu qeyd edirdi ki:
Bunun səbəbi kobalt-60 nüvəsinin spini olmasıdır və spinin paritet altında istiqamətini dəyişməməsidir (çünki bucaq impulsu aksial vektorudur). Digər tərəfdən, parçalanma məhsullarının buraxıldığı istiqamət paritet çevrilməsinə əsasən dəyişir, çünki impuls polyar vektorudur. Başqa sözlə, "real" dünyada əgər kobalt-60 nüvə spini və parçalanma məhsulu emissiyaları hər ikisi təxminən eyni istiqamətdə olsaydı, "güzgü" dünyasında da təxminən əks istiqamətlərdə olardı, çünki emissiya istiqaməti çevriləcəkdi, lakin fırlanma istiqaməti dəyişməz qalacaqdı.

Bu, hər iki "dünya" arasındakı zəif qarşılıqlı təsirin davranışında aydın bir fərq kimi özünü göstərir və buna görə də zəif qarşılıqlı təsirdə paritetin simmetrik olduğunu söyləmək olmaz. Zəif qarşılıqlı təsirin paritet simmetrik ola bilməsinin yeganə yolu emissiya istiqamətində heç bir üstünlüyün olmamasındadır, çünki o zaman "güzgü" dünyasındakı emissiyalar istiqamətindəki sürüşmə "real" dünyadan heç bir fərqi olmayacaq, çünki onsuz da hər iki istiqamətdə emissiyaların sayı bərabərdir.

 Eksperiment 
Təcrübədə kobalt-60 (60Co) atomlarının bircins maqnit sahəsi (qütbləşmə sahəsi) ilə düzülmüş və istilik hərəkətlərinin düzülüşü pozmaması üçün mütləq sıfıra yaxın soyudulmuş parçalanması müşahidə edilmişdir. Kobalt-60 kobaltın qeyri-stabil izotopudur və beta parçalanması ilə sabit nikel-60 (60Ni) izotopuna qədər parçalanır. Bu parçalanma zamanı kobalt-60 nüvəsindəki neytronlardan biri elektron (e−) və elektron antineytrino (e) yayaraq protona parçalanır. Nəticədə yaranan nikel nüvəsi həyəcanlı halda olur və iki qamma şüası (γ) yayaraq dərhal əsas hala keçir. Beləliklə, reaksiyanın ümumi nüvə tənliyi belə yazılır:



Qamma şüaları fotonlardır və onların nikel-60 nüvəsindən ayrılması elektromaqnit (EM) prosesdir. Bu vacibdir, çünki elektromaqnetik prosesdə paritetin qorunduğu bilinirdi və buna görə də fotonlar bütün istiqamətlərdə təxminən bərabər şəkildə yayılır (təxminən "izotropik" olaraq paylanır). Beləliklə, elektronların paylanmasının izotropik olub olmadığını qamma şüalarının paylanması ilə müqayisə edib anlamaq olar. Başqa sözlə, qamma şüalarının paylanması elektronların paylanması üçün nəzarət rolunu oynayırdı. Buraxılan qamma şüalarının başqa bir üstünlüyü ondan ibarət idi ki, onların bütün istiqamətlərdə bərabər paylanmama (paylanmadaki"anizotropiya") dərəcəsinin kobalt-60 nüvələrinin nə qədər düzgün şəkildə düzüldüyünü müəyyən etmək üçün istifadə oluna biləcəyi idi (spinlərinin maqnit sahəsi boyunca istiqamətlənməsi). Əgər kobalt-60 nüvələri heç bir şəkildə düzülməsəydi, elektron emissiyası necə paylanırsa paylansın, təcrübədə aşkar olunmayacaqdı. Bu səbəbdən nizamlanmamış nüvə nümunəsinin təsadüfi oriyentasiya olunması özünü göstərərdi və beləliklə, elektron emissiyaları təsadüfi olardı və təcrübə bütün istiqamətlərdə bərabər sayda elektron emissiyasını aşkar edərdi, hər bir nüvədən yalnız bir istiqamətdə yayılsa belə.

Təcrübədə iki fərqli istiqamətdə qamma şüaları və elektronların emissiya dərəcəsi hesablandı və onların qiymətləri müqayisə edildi. Bu sürət zamanla və əks istiqamətlərə yönəldilmiş qütbləşmə sahəsi ilə ölçüldü. Əgər elektronların sayılma dərəcələri qamma şüalarınınkindən əhəmiyyətli dərəcədə fərqlənməsəydi, onda paritetin həqiqətən zəif qarşılıqlı təsirlə qorunduğunu göstərən sübut olardı. Bununla belə, hesablama dərəcələri əhəmiyyətli dərəcədə fərqli olsaydı, zəif qarşılıqlı təsirdə paritetin pozulduğuna dair güclü sübutlar olardı.

 Materiallar və metodlar 
Bu təcrübədə eksperimental problem 60Co nüvələrinin mümkün olan ən yüksək polarizasiyasını əldə etmək idi. Nüvələrin elektronlarla müqayisədə çox kiçik maqnit momentləri səbəbindən son dərəcə aşağı temperaturlarda güclü maqnit sahələri tələb olunurdu ki, bu da təkcə maye heliumun soyudulması ilə əldə edilə biləndən çox aşağıdır. Aşağı temperaturlar adiabatik dimaqnitləşdirmə metodundan istifadə etməklə əldə edilmişdir. Radioaktiv kobalt yüksək anizotropik Lande g-faktoruna malik paramaqnit duzu olan serium-maqnezium nitrat kristalının üzərində nazik səth qatı olaraq çökdürülmüşdür.

Duz yüksək g faktorunun oxu boyunca maqnitləşdirildi və heliumu aşağı təzyiqə vurmaqla temperatur 1,2 K-ə endirildi. Üfüqi maqnit sahəsinin dayandırılması temperaturun təxminən 0,003 K-ə qədər azalması ilə nəticələndi. Üfüqi maqnit açıldı, kobalt nüvələrini yuxarı və ya aşağı istiqamətdə nizamlayan şaquli solenoid daxil edildi. Solenoidin maqnit sahəsinin istiqaməti aşağı g faktoru istiqamətində olduğundan, onun maqnit sahəsi temperaturun yalnız cüzi artımına səbəb oldu. 60Co nüvələrinin yüksək qütbləşməsinə nail olmaq üçün bu üsul Qorter və Roz tərəfindən yaradılmışdır.

Qütbləşmənin ölçüsü kimi ekvatorial və qütb sayğaclarından istifadə etməklə qamma şüalarının istehsalına nəzarət edildi. Qamma şüalarının qütbləşməsi kristalın qızdırılıb anizotropiyanın yox olması ərzində sonrakı on beş dəqiqə boyunca davamlı olaraq monitorniq edilirdi. Eyni şəkildə, bu istiləşmə dövründə beta şüası emissiyaları davamlı olaraq izlənilirdi.

 Nəticələr 
Vu tərəfindən aparılan təcrübədə qamma şüalarının anizotropiyası təxminən 0,6 idi. Yəni qamma şüalarının təqribən 60 %-i bir istiqamətdə, 40 %-i isə digər istiqamətdə yayılmışdı. Əgər paritet beta parçalanmasında qorunub saxlanılsaydı, emmisiya olunan elektronların nüvə spininə nisbətən üstünlük verilən parçalanma istiqaməti olmazdı və emissiya istiqamətindəki asimmetriya qamma şüalarının dəyərinə yaxın olardı. Bununla belə, Vu müşahidə etdi ki, elektronlar qamma şüalarının anizotropiya dəyərindən əhəmiyyətli dərəcədə böyük olan asimmetriya ilə qamma şüalarının əksinə olan bir istiqamətdə şualanırdı. Belə ki, elektronların əksəriyyəti nüvə spininin əksinə, çox spesifik bir parçalanma istiqamətinə üstünlük verirdi. Müşahidə olunan elektron asimmetriyası, həmçinin qütbləşmə sahəsinin istiqamətinin çevrilməsi zamanı belə işarəni dəyişmədi, yəni asimmetriya nümunələrdəki remanent maqnitləşmə nəticəsində yaranmadı. Sonradan müəyyən edildi ki, paritet pozulması faktiki olaraq maksimal həddə çatıb.

Nəticələr fizika icmasını çox təəccübləndirdi. Daha sonra bir neçə tədqiqatçı Vu qrupunun nəticələrini yenidən əldə etmək üçün mübarizə apardı, digərləri isə nəticələrə inamsızlıqla reaksiya verdilər. Volfqanq Pauli eyni zamanda "NBS"də işləyən Corc M. Timmer tərəfindən paritetin qorunmasının bütün hallarda doğru ola bilməyəcəyi barədə məlumat aldıqdan sonra, "Bu, tamamilə cəfəngiyatdır!" demişdi, Timmer onu əmin edirdi ki, təcrübənin nəticəsi bunun belə olduğunu təsdiqləyir, Pauli isə qısaca cavab verdi: "Onda bunu təkrarlamaq lazımdır!". 1957-ci ilin sonunda sonrakı tədqiqatlar Vu qrupunun orijinal nəticələrini təsdiqlədi və Paritetin pozulması möhkəm şəkildə əsaslandırıldı.

 Mexanizmi 
Vu təcrübəsinin nəticələri sol və sağ anlayışını operativ şəkildə müəyyən etmək üçün bir yol təqdim edir. Bu, zəif qarşılıqlı əlaqənin təbiətinə xasdır. Yerdəki elm adamları yeni kəşf edilmiş planetin alimi ilə əlaqə saxlasalar və onlar heç vaxt şəxsən görüşməsəydilər, hər bir qrupun digər qrupun sağını və solunu birmənalı şəkildə müəyyən etməsi mümkün olmazdı. Vu təcrübəsi ilə digər qrupa sol və sağın nə demək olduğunu dəqiq və birmənalı şəkildə çatdırmaq mümkündür. Vu təcrübəsi nəhayət elmi olaraq sol və sağın birmənalı tərifini verərək Ozma problemini həll etdi.

Fundamental səviyyədə beta parçalanması mənfi yüklü aşağı kvarkın () W− bozonunun emissiyası ilə müsbət yüklü yuxarı kvarka () çevrilməsi nəticəsində baş verir: W− bozonu sonra elektrona və elektron antineytrinoya parçalanır:



Kvarkın sol və sağ hissəsi var. Fəza-zamanda irəliləyərkən sağ hissədən sola və sol hissədən sağa doğru irəli-geri ossilasiya edir. Vu təcrübəsinin paritet pozulmasını göstərməsini təhlil edərək belə nəticəyə gəlmək olar ki, aşağı kvarkların yalnız sol hissəsi parçalanır və zəif qarşılıqlı təsirdə kvarkların və leptonların yalnız sol hissəsi iştirak edir (ya da antikvarkların və antileptonların sağ hissəsi). Zərrəciyin sağ hissəsi zəif qarşılıqlı təsirdə olmur. Əgər aşağı kvarkın kütləsi olmasaydı, o, ossilasiya etməzdi və onun sağ hissəsi öz-özünə kifayət qədər stabil olardı. Bununla belə, aşağı kvark kütləli olduğuna görə ossilasiya edir və parçalanır.

 olduğundan güclü maqnit sahəsi kobalt 60 nüvəsini şaquli qütbləşdirir, belə ki, .  olduğundan və parçalanmada impuls momenti saxlandığından, belə ki, , alınır ki, . Beləliklə, beta şüalarının mənfi-z istiqamətində konsentrasiyası solaxay kvarklar və elektronlar üçün üstünlüyün olduğunu göstərirdi. Vu təcrübəsi və Qoldhaber təcrübəsi kimi təcrübələrdən müəyyən edilmişdir ki, kütləsiz neytrinolar solaxay, kütləsiz antineytrinolar isə sağ əlli olmalıdır. Hal-hazırda neytrinoların kiçik bir kütləyə malik olduğu bilindiyinə görə sağ əlli neytrinoların və solaxoy antineytrinoların mövcud ola biləcəyi irəli sürülmüşdür. Bu neytrinoların kainatdakı qaranlıq maddənin bir hissəsini meydana gətirə biləcəyi düşünülür.

 Təsiri 
Kəşf Standart Modelin inkişafı üçün zəmin yaratdı, çünki model zərrəciklərin və qüvvələrin simmetriyası və zərrəciklərin bəzən bu simmetriyanı necə poza bilməsi ideyasına əsaslanırdı. Onun kəşfinin geniş şəkildə işıqlandırılması, parçalanmanın kəşfçisi Otto Robert Frişi qeyd etməyə vadar etdi ki, Princetonda insanlar tez-tez onun kəşfinin Eynşteynin nisbilik nəzəriyyəsini ilhamlandıran Mişelson-Morley təcrübəsindən sonra ən əhəmiyyətli kəşf olduğunu söyləyirlər. AAUW bunu "atom və nüvə fizikasının bir nömrəli tapmacasının həlli" adlandırırdı. Digər üç şərti qarşılıqlı təsir qüvvələrindən zəif qarşılıqlı təsirin fərqli xüsusiyyətini göstərilməsindən əlavə, bu, nəticədə daha ümumi CP pozulmasının göstərilməsinə səbəb oldu. Bu pozuntunun aşkar edilməsi tədqiqatçıların maddəni antimateriyadan ayıra bilməsi və maddə ilə dolu kainatın mövcudluğunu izah edən bir həll ortaya qoyması mənasına gəlirdi. Bu simmetriyanın olmaması maddə-antimaddə balanssızlığının mümkünlüyünü təmin etdiyi üçün bu gün Böyük Partlayış vasitəsilə maddənin mövcud olmasına imkan verir. Nəzəri işlərinə görə Li və Yanq 1957-ci ildə Fizika üzrə Nobel Mükafatına layiq görüldülər.

 İstinadlar 

 Əlavə oxu 


Kateqoriya:Fizika təcrübələri
Kateqoriya:Asimmetriya