Wu-Experiment

Das Wu-Experiment wurde 1956 durch die chinesisch-amerikanische Physikerin Chien-Shiung Wu in Zusammenarbeit mit der Tieftemperaturgruppe des National Bureau of Standards durchgeführt, um die Paritätserhaltung bei der schwachen Wechselwirkung experimentell zu überprüfen.^[1] Es wurde jedoch die Paritätsverletzung der schwachen Wechselwirkung festgestellt.

Vorgeschichte

1927 wurde von Eugene Paul Wigner die Paritätsoperation bei einer Wellenfunktion begründet, da ein Atom mindestens zwei Anregungszustände hat.

1956 veröffentlichten Tsung-Dao Lee und Chen Ning Yang die Theorie, derzufolge bei der schwachen Wechselwirkung, im Gegensatz zur starken Wechselwirkung und elektromagnetischen Wechselwirkung, die Parität nicht erhalten bleibt. Dabei hatten sie auch mehrere spezielle Experimente vorgeschlagen.^[2]

Das Experiment

Cobalt-60-Kerne wurden bei einer Temperatur von etwa 10 mK magnetisch so ausgerichtet, dass ihre Spins alle in eine Vorzugsrichtung zeigten (z-Richtung). Das betrachtete Cobalt-Isotop zerfällt in einem $\beta^{\,\operatorname{-}}$-Zerfall gemäß der Reaktion

${}^{60}_{27}\mathrm{Co} \longrightarrow {}^{60}_{28}\mathrm{Ni} + e^- + \bar{\nu_e}.$

Der Mutterkern hat die z-Komponente des Spins S_z = + 5, der Tochterkern S_z = + 4. Das entstehende Elektron und das Antineutrino tragen jeweils Spin S = 1 / 2. Ihre Spins zeigen also beide in die Spinrichtung des Cobaltkerns.

Man misst die Anzahl der in negativer z-Richtung emittierten Elektronen.

Man muss nun die beiden folgenden Szenarien unterscheiden:

Szenario: Die Kernspins sind in positiver z-Richtung ausgerichtet. Es werden Elektronen detektiert, die entgegen der Spinrichtung emittiert wurden (linkshändige Elektronen).

Gespiegeltes Szenario: Da die Kernspins Drehimpulseigenschaft haben, zeigen sie nach einer Spiegelung immer noch in die gleiche Richtung: $\vec r \times \vec p \rightarrow (-\vec r) \times (-\vec p) = \vec r \times \vec p$. Anstatt den Versuchsaufbau zu spiegeln, reicht es daher aus, die Kernspins umzudrehen. Dazu wird das Magnetfeld umgekehrt, die Kernspins zeigen nun in negative z-Richtung. Es werden Elektronen detektiert, die in Spinrichtung emittiert wurden (rechtshändige Elektronen).

Wäre die Parität erhalten, wären beide Szenarien gleich wahrscheinlich: es würden genauso viele Elektronen in Richtung des Kernspins wie in Gegenrichtung emittiert werden. Wu stellte jedoch experimentell fest, dass fast alle Elektronen entgegen der Spinrichtung der Kerne emittiert werden.

Der Grund ist, dass die Austauschbosonen der schwachen Wechselwirkung nur an linkshändige Teilchen (bzw. rechtshändige Antiteilchen) koppeln.

Das Resultat

Die Verletzung der Parität ist keine kleine Korrektur, sondern maximal bei der schwachen Wechselwirkung. Sie ist sozusagen ein Kennzeichen der schwachen Wechselwirkung.

Später zeigte das Goldhaber-Experiment, dass es nur linkshändige Neutrinos und rechtshändige Antineutrinos gibt.

Nachdem die Verletzung der Raumspiegelungssymmetrie P gezeigt wurde, nahm man anfangs an, dass der Operator CP, die Kombination aus Raumspiegelung und Ladungsvertauschung, eine ungebrochene Symmetrie ist, bis die CP-Verletzung beim Kaon-Zerfall festgestellt wurde. Die kombinierte Symmetrie CPT hingegen (T, für Time, bezeichnet die Zeitumkehr) ist in allen Wechselwirkungen erhalten. Das ist die Aussage des CPT-Theorems, das im Rahmen der Quantenfeldtheorie bewiesen werden kann.

Einzelnachweise

1. ↑ C. S. Wu, E. Ambler, R. W. Hayward, D. D. Hoppes, R. P. Hudson: Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay. In: Physical Review. 105, 1957, S. 1413-1415. doi:10.1103/PhysRev.105.1413.
2. ↑ T. D. Lee, C. N. Yang: Question of Parity Conservation in Weak Interactions. In: Physical Review. 104, 1956, S. 254-258. doi:10.1103/PhysRev.104.254.

Weblinks

• Reversal of the Parity Conservation Law in Nuclear Physics (englisch)