吳氏實驗
吳氏實驗是由美籍華裔物理學家吳健雄與美國國家標準局低溫研究組合作進行的一項核物理學實驗[1]。這一實驗的目的在於驗證弱相互作用中宇稱是否守恆。此前，人們已經確認電磁相互作用及強相互作用中宇稱確實守恆，但弱相互作用中是否仍然守恆，尚沒有實驗進行驗證。在宇稱守恆情況下，一個系統在進行鏡像變換後，其物理行為也會隨之發生鏡像變換。從表觀來看，系統在變換後只是左右相反，其餘與原來無異。而如果宇稱不守恆，則在鏡像變換前後，除了左右相反外，系統的行為相對於原來還會存在其他差異。
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這項實驗驗證了弱相互作用中宇稱不守恆。這個結果出乎物理學界的意料，此前物理學界認為宇稱是一個守恆量。這項結果此前已由李政道與楊振寧從理論上導出。他們還提出了驗證此項結果的實驗方案。二人因為這項理論成果獲得1957年的諾貝爾物理學獎。雖然吳健雄沒有獲得諾貝爾獎，但她在這一發現中所發揮的作用在楊振寧和李政道的諾貝爾獎獲獎感言中被提及[2]，但直到 1978 年她獲得首屆沃爾夫獎時才獲得這一榮譽。
歷史
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1927年，尤金·維格納提出了宇稱守恆原理[3]，即系統在經過鏡像變換前後運動規律基本保持不變，只是左右相反，例如順時針旋轉的錶針在經過鏡像變換後則會逆時針旋轉。
這項原理得到物理學家的普遍認同，且經過實驗證實在電磁相互作用及強相互作用中成立。但到了20世紀50年代中期，當時觀察到的一些現象展示着這一原理在弱相互作用中可能並不成立。其中較為有代表性的現象就是Θ-τ問題。
Θ+
和
τ+
是兩種性質幾乎完全相同的奇介子，它們惟一的不同就是發生衰變後終態的宇稱不相同。[4]如果宇稱守恆的話，那麼
Θ+
和
τ+
會發生如下的衰變：
Θ+→
π+
+
π0
τ+→
π+
+
π+
+
π−
1956年，理論物理學家李政道和楊振寧發表了一篇文獻評論，其研討有關宇稱守恆定律在各種基礎相互作用裏是否成立的論題。他們總結，對於弱相互作用案例，實驗數據尚未確認或否定宇稱守恆定律，並設計了相關的實驗驗證方案。[5]不久後，他們與β衰變方面的專家吳健雄聯繫，向她敘述了幾個實驗驗證思路。他們最終決定測定鈷-60發生β衰變時的取向性質。吳健雄隨後經由精通低溫物理學的亨利·布爾斯與馬克·澤曼斯基接觸到美國國家標準局的相關人士。相關實驗被安排在1956年12月於國家標準局低溫實驗室中進行。[4]
李楊二人在該實驗完成並驗證他們的理論預測後不久於1957年獲授諾貝爾物理學獎。[6]
實驗
吳健雄的實驗團隊在實驗中觀測了穩恆磁場中冷卻至絕對零度附近的鈷-60原子的衰變情況。[4]鈷-60是一種不穩定的鈷同位素，其會發生β衰變轉變為穩定的鎳-60。在發生衰變時，鈷-60核中的一個中子會衰變為一個質子，同時放出一個電子與一個反電中微子。衰變後產生的鎳-60核處於激發態，它會放出兩束γ射線從而返回基態。因此該核反應全程的方程式為：
γ射線是一種光子，它們自鎳-60核釋出的過程是一種電磁作用過程。由於電磁作用遵守宇稱守恆，因而對其分布的觀測對於本實驗而言非常重要。具體來說，在本實驗中γ射線的分布情況被用來間接反映鈷-60核的極化情況以及實驗系統的溫度。在吳氏實驗中，實驗團隊對於自旋取向相反的鈷-60核的電子釋出情況進行了比較。如果放出的電子的分布與自旋取向存在不對稱性，那麼該過程宇稱不守恆。
實驗材料與實驗方法
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本項實驗所存在的一個挑戰就是如何儘可能地增加鈷-60核的極化率。由於原子核的磁矩相對於電子而言非常的小，因而為實現上述目標，則需要將實驗系統置於強磁場中，而實驗環境的溫度也需要非常低，遠遠低於單獨依靠液氦冷卻所能達到的低溫。在本實驗中，該低溫環境是通過絕熱去磁法獲取的。在實驗中，實驗人員將放射性的鈷製成一層薄膜放置在鈰鎂硝酸鹽表面。在實驗所要求的低溫環境中，這種順磁性物質具有高度各向異性的朗德g因子。實驗人員先將鈰鎂硝酸鹽沿着g因子較大的軸磁化，然後通過液氦將系統冷卻至1.2 K，然後去除水平磁場，令實驗系統進一步冷卻至0.003 K。為留出用於極化鈷核的垂直線圈的空間，水平磁體被分開放置。由於對應方向上鈰鎂硝酸鹽的g因子較小，因而垂直線圈的磁場對於溫度產生的影響基本可以忽略。這種令鈷-60高度極化的方法源於科內利斯·雅各布斯·戈特[7]及M·E·羅斯[8]的研究結果。
用於表徵極化情況的γ射線則是由位於實驗系統赤道面與極點方向的計數器進行監視。實驗人員會在實驗開始後15分鐘內持續監視γ射線的分布情況，而在這段時間內晶體的溫度會逐漸上升，各向異性也會隨之消失。實驗人員也會在同一時段持續監視β射線的釋出情況。[1]
實驗結果
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如果β衰變遵守宇稱守恆，電子的釋出方向相對於核自旋取向而言並不會有一個從優的方向。然而，吳健雄等人卻發現電子更傾向於沿着核自旋的反方向釋出[1]。這一點相當程度上證明了β衰變並不遵守宇稱守恆。[4][9]
這項實驗結果在物理學界引起了一番轟動[4]。一些研究者試圖去再現吳健雄的實驗結果[10][11]。同時還有一些物理學家並不相信這一實驗結果。當時在美國國家標準局工作的一名研究人員告訴沃爾夫岡·泡利宇稱守恆可能並不時時成立。泡利回應了一句：「純屬無稽之談。」而當那位研究人員告訴他吳健雄的實驗結果確確實實地驗證了這一點時，泡利則簡單地回應了一句：「那麼（這個結果）必須能夠重現！」[4]至1957年底，吳健雄團隊進一步進行的研究一再地驗證了該結果。弱相互作用中宇稱不守恆由此得到了有力的證明[4]。
現象機制與推論
β−
衰變的費曼圖。中子經由
W−
玻色子衰變為質子、電子與反電中微子。
吳氏實驗找到一種操作定義「左」與「右」的方法。這種定義方法基於弱相互作用的固有性質。在此之前，「左」與「右」只是一個含混的概念，如果地球上的科學家與未曾謀面的另一星球上的科學家會面時，他們可能並不能了解彼此對於「左」與「右」的定義。吳氏實驗的結果對於「左」與「右」給出了一個較為明確的定義，解決了奧茲瑪問題。[12]
在基本粒子層面上，β衰變是由帶負電的下夸克通過放出
W−
玻色子轉換為帶正電的上夸克引起的。
W−
玻色子會接着衰變為一個電子與一個反電中微子：
d
→
u
+
e−
+
ν
e.
當夸克在時空中傳播時，其會在左手性與右手性間循環往復地振盪。從分析吳氏實驗展示宇稱不守恆的數據，可以推論，只有左手性的下夸克會參與弱相互作用，同時整個過程只會涉及左手性的夸克與輕子（或右手性的反夸克與反輕子）。右手性的粒子並不會參與弱相互作用。如果下夸克質量為零，那麼其並不會發生振盪，右手性的下夸克自身則會十分的穩定。但正因為其具有質量，所以它有可能會發生振盪從而進一步發生衰變。[13]
從吳氏實驗中還可以得到，無質量的中微子必定是左手性的，而無質量的反中微子必定是右手性的。由於物理學家通過實驗已經證明中微子具有質量，因而右手性的中微子與左手性的反中微子也可以存在。這些中微子並不能與弱相互作用的拉格朗日量耦合，只能通過萬有引力發生相互作用。它們可能是宇宙中暗物質的一種組分。[14]
參見
參考文獻
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延伸閱讀
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