Wu deneyi

Wu deneyi 1956'da Washington DC Ulusal Standartlar Bürosu düşük sıcaklık laboratuvarında,  yapılmıştır. Kobalt-60, dedektörler ve alan sargısı içeren dikey vakum haznesi arka plandaki elektromıknatıs içine yerleştirilmeden önce; radyoizotopu adiyabatik demagnetizasyon ile mutlak sıfıra yakın bir seviyeye serinletecek bir termos içine konumlandırılır.

Wu deneyine adını veren Chien-Shiung Wu, deneyi tasarladı ve paritenin korunumunu test eden takıma önderlik etti.

Wu deneyi, 1956'da Çin asıllı Amerikan fizikçi Chien-Shiung Wu ile  Birleşik Devletler Ulusal Standartlar Bürosu düşük sıcaklık grubu tarafından yürütülmüş bir nükleer fizik deneyidir.  Deneyin amacı önceden elektromanyetik vegüçlü etkileşimlerde korunduğu belirlenen dönüşümçarpanının (parite) zayıf etkileşmelerde de korunup korunmadığını belirlemekti (P-korunumu). Eğer P-korunumu doğru olsaydı evrenin bir ayna yansıması versiyonu da (sağın sol ve solun sağ olduğu) şimdiki evrenin ayna görüntüsü gibi davranacaktı. Eğer P-korunumu ihlal edilirse, evrenin ayna yansıması gibi davranan versiyonu ve şimdiki evrenin ayna görüntüsünü ayırt etmek mümkün olacaktı. 

Deney, parite korunumunun zayıf etkileşim tarafından ihlal edildiğini (P-ihlali) belirledi. Bu sonuç, önceden pariteyi korunumlu nicelik kabul eden fizik camiası tarafından beklenmiyordu. Paritenin korunumsuz olduğu fikrini ortaya çıkaran ve deneyini öneren Tsung-Dao Lee ve Chen-Ning Yang 1957 yılında bu sonuçla Nobel Fizik Ödülü'nü kazandılar. 

Tarihçe

1927'de Eugene Wigner şimdiki evren ve onun ayna görünümü biçimindeki bir başka evrenin, tek farkın sadece sağın ve solun ters çevrilmiş olduğu (örneğin; saat yönünde dönen bir saat, ayna görüntüsünü inşa ederseniz saatin tersi yönünde dönecektir), bunun dışında aynı şekilde davrandıkları parite korunumu ilkesini biçimlendirdi (P-korunumu).

Bu ilke fizikçiler tarafından yaygın biçimde kabul edildi ve P-korunumu elektromanyetik ve güçlü etkileşimlerde doğrulandı. Ancak, 1950'lerin ortaları boyunca, kaonları içeren belirli bozunmalar P-korunumunun var sayıldığı teorilerle açıklanamamıştı. İki piona ve üç piona bozunan iki tip kaon var gibi görünüyordu. Bu da τ–θ bilmecesi olarak bilinmekteydi.

Teorik fizikçiler Tsung-Dao Lee ve Chen-Ning Yang tüm temel etkileşimlerde parite korunumu üzerine bir literatür taraması yaptı. Zayıf etkileşim varlığında P-korunumunu kabul eden veya aksini gösteren bir deneysel verinin olmadığı sonucuna vardılar. Kısa bir süre sonra çeşitli deney fikirleriyle, beta bozunumu spektroskopisi konusunda bir uzman olan Chien-Shiung Wu ile görüştüler. Kobalt-60'ta beta bozunumunun yönelim özelliklerini test etme fikri üzerinde uzlaştılar. Daha sonra Wu, düşük sıcaklık fiziğinde geniş çapta tecrübesi olan Henry Boorse ve Mark W. Zemansky ile iletişime geçti. Boorse ve Zemansky'nin ısrarı ile Wu, deneyin Aralık 1956'da  Ulusal Standartlar Bürosu (NBS) düşük-sıcaklık laboratuvarında yapımını ayarlayacak olan ve NBS çalışanı olan Ernest Ambler ile de temas kurdu.

Wu deneyini teşvik eden Lee ve Yang, deneyin yapılışından kısa bir süre sonra 1957 yılında Nobel ödülü ile ödüllendirildi.

Deney

Nükleer beta bozunumunda parite ihlalini keşfetmeyi hedefleyen 1956 Wu deneyinin prensibi

Deneyin kendisi, mutlak sıfıra yakın bir seviyeye soğutulan ve düzgün bir manyetik alanda hizalanan kobalt-60 atomlarını görüntülüyordu. Kobalt-60 (⁶⁰Co), kobaltın beta bozunumu ile kararlı Nikel-60'a (⁶⁰Ni) bozunan kararsız bir izotopudur. Bu bozunum esnasında, kobalt-60'ın çekirdeğindeki nötronlardan biri bir elektron (e⁻) ve elektron antinötrino (νν_e) yayarak protona bozunur. Bu da kobalt-60 çekirdeğini nikel-60 çekirdeğine dönüştürür. Ancak sonuçta ortaya çıkan Nikel çekirdeği bir uyarılmış durumdur ve hemen iki gama ışını (γ) yayarak temel durumuna bozunur. Bunun sonucu olarak tüm nükleer tepkime denklemi şu hali alır:

${}_{27}^{60}{\text{Co}}\rightarrow {}_{28}^{60}{\text{Ni}}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}+2{\gamma }$

Gama ışınları aslında fotonlardır ve Nikel-60 çekirdeklerinden salınmaları bir elektromanyetik (EM) süreçtir. Bu önem arz etmektedir çünkü EM sürecin P-korunumuna riayet ettiği bilinmekteydi. Böylece yayılan gama ışınlarının dağılımı, tıpkı kobalt-60 atomlarının tek-biçimliliğinin işaretçisi olduğu gibi, zayıf etkileşim vasıtasıyla yayılan elektronların kutuplanmasının kontrol mekanizması olarak da davranacaktır. Wu'nun deneyi gama ışınlarının dağılımını ve ters yönelimli nükleer spinli elektron yayınımını karşılaştırmaktaydı. Eğer elektronların gama ışınlarında olduğu gibi her zaman aynı yönde ve aynı oranda yayıldığı bulunsaydı, P-korunumu geçerli olacaktı. Eğer bozunumların yönlerinde bir sapma varsa, yani elektronların dağılımı gama ışınlarının dağılımını takip etmiyorsa, o zaman P-ihlali tespit edilmiş olacaktı.

Materyal ve metot

Wu deneyinin şema gösterimi

Bu deneydeki zorluk kobalt-60 çekirdeğinin olası en yüksek kutuplanmasını sağlamaktı. Elektronla karşılaştırıldığında çekirdeklerin çok küçük kalan manyetik momentleri yüzünden, sıvı helyumun kendi başına soğutmayı başarabileceğinden çok daha düşük sıcaklıklarda yüksek manyetik alanlar gerekiyordu. Düşük sıcaklıklar adiyabatik demagnetizasyon yöntemi kullanarak elde edilmişti. Radyoaktif kobalt, yüksek anizotropik Landé g-faktörüne sahip bir paramanyetik tuz olan Seryum-Magnezyum Nitrat kristali üzerine ince yüzey katmanı olarak depolandı.

Tuz, yüksek g-faktörü ekseni boyunca manyetize edildi ve sıcaklık Helyum'u düşük basınca pompalayarak 1.2 K değerine düşürüldü. Yatay manyetik alanın kapatılamsıyla sıcaklığın 0.003 K değerine kadar düşmesiyle sonuçlandı. Kobalt çekirdeklerini yukarı veya aşağı doğru hizalayan bir dikey selenoidin de dahil edilmesini sağlayan yatay mıknatıs açıldı. Selenoidin manyetik alan yönelimi düşük g-faktörü yönünde olduğundan dolayı, selenoid mıknatıs sadece ihmal edilebilir bir seviyede sıcaklık artışına sebep oldu. İyi kutuplanmış 60Co çekirderklerinin bu şekilde elde edilişi Gorter ve Rose tarafından başlatılmıştır

Gama ışınlarının üretimi, ekvatoral ve kutupsal sayaçların kutuplanmanın bir ölçüsü olarak kullanılmasıyla görüntülendi. Gama ışını kutuplanması takip eden on beş dakika (kristalin ısınıp anizotropinin kaybolduğu) boyunca sürekli olarak görüntülendi. Aynı şekilde, beta-ışını yayınımı da bu ısınma periyodu boyunca sürekli olarak görüntülenmiştir.

Sonuçlar

Wu tarafından gerçekleştirilen deneylerde gama ışını kutuplanması yaklaşık olarak %60 değerindeydi. Yani, yaklaşık olarak gama ışınlarının %60'ı tek bir yönde, kalan %40'ı ise diğer yönde yayılıyordu. Eğer, P-korunumu beta bozunumunda geçerliyse, elektronların nükleer spine bağlı olarak tercih edecekleri bir bozunum yönü olmayacaktı. Ancak, Wu elektronların gama ışınlarının tersi istikametinde yayıldıklarını gözlemledi. Yani, elektronların çoğu nükleer spininkine ters olarak şekilde belirli bir bozunum yönünü tercih ediyordu. Daha sonradan P-korunumunun aslında en yüksek seviyede olduğu tespit edildi.