vignette| Chien-Shiung Wu, qui a donné son nom à l'expérience Wu, a conçu l'expérience et dirigé l'équipe qui a réalisé le test de conservation de la parité en 1956. L' expérience Wu était une expérience de physique des particules et de physique nucléaire menée en 1956 par la physicienne sino-américain Chien-Shiung Wu en collaboration avec le Low Temperature Group du National Bureau of Standards des États-Unis.
Le but de l'expérience était de savoir si la conservation de la parité, précédemment établie pour les interactions électromagnétiques et fortes, s'appliquait également aux interactions faibles.
Si cette conservation est vérifiée, une version miroir du monde (où la gauche est la droite et la droite la gauche) se comporterait comme l’image miroir du monde actuel. Si la conservation P était violée, il serait alors possible de faire la distinction entre une version miroir du monde et l’image miroir du monde actuel.
L'expérience a établi que la conservation de la parité était violée (violation P) par l'interaction faible, fournissant ainsi un moyen de différencier la gauche et la droite sans référence au corps humain. Ce résultat n’était pas attendu par la communauté des physiciens, qui considérait la parité comme une symétrie s’appliquant à toutes les forces de la nature.
Les physiciens théoriciens Tsung-Dao Lee et Chen-Ning Yang ont reçu le prix Nobel de physique en 1957, pour cette idée de non-conservation de la parité et la proposition l'expérience. Mais pas Chien-Shiung Wu qui a pourtant réalisé l'expérience. Bien que sa découverte ait été mentionné dans le discours d'acceptation du prix Nobel de Yang et Lee.. Il a fallu attendre 1978, pour que Wu soit honorée du premier prix Wolf.
Historiquement
En 1927, Eugene Wigner formalise le principe de conservation de la parité, avec l'idée que le monde actuel et celui construit comme son image miroir se comporteraient de la même manière, avec la seule différence que la gauche et la droite serait inversé (par exemple, une horloge qui tourne dans le sens des aiguilles d'une montre, tournerait dans le sens inverse des aiguilles d'une montre dans sa version miroir).
Ce principe a été largement accepté par les physiciens et la conservation du P a été vérifiée expérimentalement pour les interactions électromagnétiques et fortes.
Cependant, au milieu des années 1950, les expériences impliquant des désintégrations de kaons ne semblent pas être compatibles avec la conservation de la parité P. Il semblait y avoir deux types de kaons, l'un qui se désintégrait en deux pions et l'autre qui se désintégrait en trois pions. Ceci était connu sous le nom de puzzle ..
Les physiciens théoriciens Tsung-Dao Lee et Chen-Ning Yang ont réalisé une revue de la littérature sur la question de la conservation de la parité pour toutes les interactions fondamentales. Ils ont conclu que dans le cas de l'interaction faible, les données expérimentales ne confirmaient ni n'infirmaient la conservation du P. Peu de temps après, ils ont contacté Chien-Shiung Wu, experte en spectroscopie de désintégration bêta, avec des idées d'expériences. Ils ont décidé de tester les propriétés directionnelles de la désintégration β du cobalt 60. Wu réalisa le potentiel d'une expérience révolutionnaire et commença sérieusement à travailler fin (annulant un voyage prévu à Genève et en Extrême-Orient avec son mari) voulant devancer le reste de la communauté physicienne. Bien que la majorité des physiciens, comme son ami proche Wolfgang Pauli, pensaient que c'était impossible et exprimaient même leur scepticisme quant à la proposition de Yang-Lee.
Wu contacta Henry Boorse et Mark W. Zemansky, pour leur expertise en physique des basses températures, pour réaliser son expérience. À la demande de Boorse et Zemansky, Wu contacta Ernest Ambler, du Bureau national des normes, qui organisa la réalisation de l'expérience en 1956 dans les laboratoires à basse température du NBS. Après plusieurs mois de travail, et des difficultés techniques, l'équipe de Wu a observé une asymétrie indiquant une violation de la parité en .
Rapidement après la réalisation de l'expérience, Lee et Yang, à l'origine de l'expérience Wu, ont reçu le prix Nobel de physique en 1957. Le rôle de Wu dans la découverte a été mentionné dans le discours d'acceptation du prix, mais n'a été honoré qu'en 1978, lorsqu'elle a reçu le premier prix Wolf. Beaucoup ont été indignés, comme son ami proche Wolfgang Pauli, Lee et Yang, ainsi que Jack Steinberger (le prix Nobel 1988) qualifiant cela de plus grande erreur de l'histoire du comité Nobel.
Wu ne s'est pas exprimée publiquement à propos de cette "oublie", mais dans une lettre écrite à Steinberger, elle a déclaré : « Même si je n'ai pas fait de recherche uniquement pour le prix, cela me fait quand même beaucoup de mal que mon travail ait été négligé pour certaines raisons. "
Théorie Si une interaction respecte la symétrie de parité, cela signifie que si la gauche et la droite étaient interverties, l’interaction se comporterait exactement comme avant l’échange.
Autrement dit, si deux mondes sont construits qui ne diffèrent que par parité : le monde « réel » et le monde « miroir », où la gauche et la droite sont inversées. Si une interaction est symétrique en parité, elle produit les mêmes résultats dans les deux « mondes ».
L'objectif de l'expérience de Wu était de vérifier le respect de la parité de l'interaction faible. En regardant si les produits de désintégration du cobalt-60 étaient émis préférentiellement dans une direction ou non. Si une direction est privilégiée, alors la symétrie de parité est violée, car si l'interaction faible conservait la parité, les émissions de désintégration devraient être émises avec la même probabilité dans toutes les directions. Comme l'ont indiqué Wu et al.:
Car le noyau de cobalt-60 porte un spin et que le spin ne change pas de direction sous parité (car le moment cinétique est un vecteur axial). À l’inverse, la direction dans laquelle les produits de désintégration sont émis est modifiée sous parité car l’impulsion est un vecteur polaire.
En d’autres termes, dans le monde « réel », si la rotation nucléaire du cobalt-60 et les émissions de produits de désintégration allaient toutes deux à peu près dans la même direction, alors dans le monde « miroir », elles seraient à peu près dans des directions opposées, car l’émission la direction aurait été inversée, mais pas la direction de rotation. Il s’agirait d’une nette différence dans le comportement de l’interaction faible entre les deux « mondes », et on ne pourrait donc pas dire que l’interaction faible soit symétrique en parité. La seule manière pour que l'interaction faible puisse être symétrique en parité est s'il n'y avait pas de préférence dans la direction d'émission, car alors un changement de direction dans la direction des émissions dans le monde « miroir » ne serait pas différent du monde « réel » car il y a il y avait de toute façon un nombre égal d’émissions dans les deux sens.
Expérience vignette| L'expérience Wu réalisée au laboratoire à basse température du Bureau of Standards, à Washington DC, en 1956. La chambre à vide verticale, contenant le cobalt 60, les détecteurs et la bobine de champ, est placée dans un Dewar avant d'être insérée dans le grand électro-aimant en arrière-plan, qui refroidira le radio-isotope près du zéro absolu par démagnétisation adiabatique . L'expérience a regardé la désintégration des atomes de cobalt 60 alignés par un champ magnétique uniforme (le champ polarisant) et refroidis jusqu'à un niveau proche du zéro absolu afin que les mouvements thermiques ne ruinent pas l'alignement.
Le cobalt-60 est un isotope instable du cobalt qui se désintègre par désintégration bêta en isotope stable nickel-60 . Au cours de cette désintégration, l'un des neutrons du noyau de cobalt-60 se " transforme " en proton en émettant un électron et un antineutrino électronique . Cependant, le noyau de nickel résultant est dans un état excité et se désintègre rapidement vers son état fondamental en émettant deux rayons gamma . L’équation nucléaire globale de la réaction est donc :
Les rayons gamma sont des photons et leur libération par le noyau de nickel-60 est un processus de l'interaction électromagnétique. Ce qui est notable, car l'électromagnétisme respectaient la conservation de la parité et qu'ils seraient donc distribués à peu près « de manière isotrope » (émis à peu près également dans toutes les directions). Ainsi, la distribution des électrons émis pourrait être comparée à la distribution des rayons gamma émis afin de déterminer si eux aussi étaient émis de manière isotrope. En d’autres termes, la distribution des rayons gamma agissait comme un contrôle de la distribution des électrons émis.
Un autre avantage des rayons gamma était qu'on pouvait savoir le degré d'« anisotropie » de leur distribution (le degré dans auquel ils n'étaient pas distribués parfaitement également dans toutes les directions). Ce qui pouvait être utilisé pour déterminer dans quelle mesure les noyaux de cobalt-60 avaient été alignés (dans quelle mesure leurs spins étaient alignés). Si les noyaux de cobalt-60 n’étaient pas du tout alignés, quelle que soit la manière dont l’émission électronique était réellement distribuée, elle ne serait pas détectée par l’expérience. En effet, on pourrait s'attendre à ce qu'un échantillon de noyaux non alignés soit orienté de manière aléatoire, et donc les émissions d'électrons seraient aléatoires et l'expérience détecterait un nombre égal d'émissions d'électrons dans toutes les directions, même si elles étaient émises par chaque noyau individuel uniquement dans une direction.
Ensuite, l'expérience était de compter le taux d’émission des rayons gamma et des électrons dans deux directions distinctes et comparer leurs valeurs. Ce taux a été mesuré dans le temps et avec le champ polarisant orienté dans des directions opposées.
Si la parité est conservée par l'interaction faible, alors les taux de comptage des électrons ne différaient pas de manière significative de ceux des rayons gamma. Sinon, si les taux de comptage étaient significativement différents, alors l’interaction faible viole la conservation de la parité.
Matériels et méthodes gauche|vignette| Schéma de l'expérience Wu. Le défi technique de cette expérience était d’obtenir la polarisation la plus élevée possible des noyaux du cobalt-60. En raison du très petit moment magnétique des noyaux par rapport aux électrons, des champs magnétiques puissants étaient nécessaires à des températures extrêmement basses, bien inférieures à celles qui pourraient être obtenues par le seul refroidissement à l'hélium liquide. Les basses températures ont été obtenues grâce à la méthode de démagnétisation adiabatique. Du cobalt radioactif a été déposé sous forme d'une fine couche superficielle sur un cristal de nitrate de cérium-magnésium, un sel paramagnétique doté d'un facteur g de Landé hautement anisotrope.
Le sel a été magnétisé le long de l'axe du facteur g élevé et la température a été réduite à 1,2 K en pompant l'hélium à basse pression. La coupure du champ magnétique horizontal a entraîné une baisse de la température jusqu'à environ 0,003 K. L'aimant horizontal a été ouvert, laissant la place à un solénoïde vertical pour être introduit et allumé pour aligner les noyaux de cobalt vers le haut ou vers le bas. Seule une augmentation négligeable de la température a été provoquée par le champ magnétique du solénoïde, puisque l’orientation du champ magnétique du solénoïde était dans la direction d’un faible facteur g. Cette méthode permettant d'obtenir une polarisation élevée des noyaux du cobalt-60 a été inventée par Gorter et Rose.