ウーの実験のソースを表示

[[Image:Wu experiment at Bureau of Standards.jpg|thumb|1956年、ワシントンDC、[[アメリカ国立標準技術研究所|国立標準局]]低温研究室で行なわれたウーの実験。コバルト-60を含む垂直の真空チャンバー、検出器、界磁コイルは、後方の大型電磁石内に挿入される前にデュワー（低温保持装置）の中に置かれている。これは[[断熱消磁]]によってこの放射性同位元素を絶対零度付近まで冷却する。 ]]
[[Image:Chien-Shiung Wu (1912-1997) in 1963 - Restoration.jpg|thumb|[[呉健雄]]（チェンシュン・ウー）は実験を設計し、パリティの保存の実験を行うチームを率いた。]]
[[File:Wu-Experiment wikipedia.png|thumb|ウーの実験概略図]]

'''ウーの実験'''（ウーのじっけん）は、1956年に[[中国系アメリカ人]]物理学者[[呉健雄]]（チェンシュン・ウー）と[[アメリカ国立標準技術研究所|アメリカ国立標準局]]低温研究グループが共同して行った[[核物理学]]実験である<ref name="Wu1957" >
{{cite journal
 |last1=Wu |first1=C. S.
 |last2=Ambler |first2=E.
 |last3=Hayward |first3=R. W.
 |last4=Hoppes |first4=D. D.
 |last5=Hudson |first5=R. P.
 |year=1957
 |title=Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay
 |url=http://iktp.tu-dresden.de/uploads/media/Experimental_test_of_parity_in_beta_decay_-_Wu.pdf
 |journal=[[Physical Review]]
 |volume=105 |issue=4 |pages=1413–1415
 |bibcode=1957PhRv..105.1413W
 |doi=10.1103/PhysRev.105.1413
}}</ref>。実験の目的は、[[弱い相互作用]]にも[[パリティ (物理学)|パリティ]]の保存が適用されているかどうかをはっきりさせることであった。パリティの保存は[[電磁気学|電磁相互作用]]と[[強い相互作用]]ではこれ以前に実証されていた。もしパリティの保存が真であるならば、空間が反転した世界はこの世界の鏡像として振舞うことになる。もしパリティの保存が破れているならば、空間が反転した世界とこの世界の鏡像とを区別することが可能ということになる。

実験では、弱い相互作用によってパリティの保存が破れていることが証明された（[[パリティ対称性の破れ]]）。この結果は物理学界では予想されていなかった。物理学界ではパリティは{{仮リンク|保存量|en|Conserved quantity|redirect=1}}であると考えられていた。パリティ非保存を着想し、実験を提唱した理論物理学者の[[李政道]]（ヂョンダオ・リー）と[[楊振寧]]（ヂェンニン・ヤン）はこの結果によって1957年の[[ノーベル物理学賞]]を授与された。

== 歴史 ==
{{multiple image
| align     = left
| direction = vertical

| image1    = Parity clocks - P-conservation.svg<!-- file name only; no "File:" or "Image:" prefix -->
| width1    = 150

| image2    = Parity clocks - P-violation.svg<!-- file name only; no "File:" or "Image:" prefix -->
| width2    = 150
| footer            = '''上図:''' ''P''-対称性: 自身の鏡像のように作られた時計は元の時計の鏡像のように振舞う。<br />'''下図:''' ''P''-非対称性: 自身の鏡像のように作られた時計は元の時計の鏡像のようには振る舞わない。
}}

1927年、[[ユージン・ウィグナー]]は[[パリティ (物理学)|パリティ]]の保存（P保存）の原理を定式化した<ref>
{{cite journal
 |last=Wigner |first=E. P.
 |year=1927
 |title=Über die Erhaltungssätze in der Quantenmechanik
 |trans-title=量子力学における保存則について
 |url=http://www.digizeitschriften.de/dms/img/?PPN=PPN252457811_1927&DMDID=dmdlog30
 |journal=[[Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen, Mathematisch Physikalische Klasse]]
 |volume= |issue= |pages=375–381
 |bibcode=
 |doi=
}}
:Reproduced in {{cite book
 |last=<!-- --> |first=<!-- -->
 |chapter=<!-- -->
 |editor1-last=Wightman |editor1-first=A. S.
 |year=1993
 |title=The Collected Works of Eugene Paul Wigner
 |volume=Vol. A |pages=84
 |publisher=[[Springer (publisher)|Springer]]
 |doi=10.1007/978-3-662-02781-3_7
 |isbn=978-3-642-08154-5
}}</ref>。これは、現在の世界とその鏡像のように作られた世界が、左右が反転したのが唯一の違いでその他は同じように振舞う、という考え方である（例えば時計回りに回転する時計の鏡像を作ったとするとそれは反時計回りに回転する）。

この原理は物理学者によって広く受け入れられ、P保存は[[電磁気学|電磁相互作用]]と[[強い相互作用]]では実験的に検証された。しかしながら、1950年代中頃、[[K中間子]]を含むある崩壊は、P保存を真であると仮定した従来の理論では説明できなかった。K中間子には、2つの[[パイ中間子|π中間子]]へと崩壊するものと、3つのπ中間子へと崩壊するものの2種類があるように見えた。これは[[K中間子#パリティの破れ|τ–θパズル]]と呼ばれた<ref name=Hudson>{{cite book
|last=Hudson |first=R. P.
|year=2001
|chapter=Reversal of the Parity Conservation Law in Nuclear Physics
|editor1-last=Lide |editor1-first=D. R.
|title=A Century of Excellence in Measurements, Standards, and Technology
|url=http://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/sp958-lide/111-115.pdf
|series=NIST Special Publication 958
|publisher=[[National Institute of Standards and Technology]]
|isbn=978-0849312472
}}</ref>。

理論物理学者の[[李政道]]（ヂョンダオ・リー）と[[楊振寧]]（ヂェンニン・ヤン）は、全ての基本相互作用におけるパリティの保存の疑問に関する{{仮リンク|文献レビュー|en|Literature review}}（文献研究）を行った。彼らは、弱い相互作用の場合、実験データはP保存を確認も反証もしていない、と結論付けた<ref name="LeeYang1956">
{{cite journal
 |last1=Lee |first1=T. D.
 |last2=Yang |first2=C. N.
 |year=1956
 |title=Question of Parity Conservation in Weak Interactions
 |url=http://iktp.tu-dresden.de/uploads/media/Parity_conservation_in_weak_interactions_-_Lee_Yang.pdf
 |journal=[[Physical Review]]
 |volume=104 |issue=1 |pages=254–258
 |bibcode=1956PhRv..104..254L
 |doi=10.1103/PhysRev.104.254
}}</ref>。程なくして、彼らは、[[β崩壊]][[分光法]]の専門家であった[[呉健雄]]（チェンシュン・ウー ）に様々な実験のアイデアを提案した。彼らは[[コバルト60]]におけるベータ崩壊の方向性を調べるという考えに落ち着いた。ウーはその後、[[低温物理学]]の経験が豊富なヘンリー・ボースと[[マーク・ゼマンスキー|マーク・W・ゼマンスキー]]に連絡した。ボースとゼマンスキーの強い要請により、ウーは[[アメリカ国立標準技術研究所|アメリカ国立標準局]]の{{仮リンク|アーネスト・アンブラー|en|Ernest Ambler}}に連絡を取った。アンブラーは1956年12月に国立標準局の低温研究室で行われる実験の手はずを整えた<ref name=Hudson/>。

ウーの実験を促したリーとヤンは、実験が行なわれた直後、1957年のノーベル物理学賞を授与された。

== 実験 ==
[[File:Wu experiment.jpg|thumb|275px|原子核のβ崩壊におけるパリティの破れを検出するための1956年のウーの実験の原理。]]

実験それ自身は、[[絶対零度]]付近まで冷やされて、均一磁界内で整列した[[コバルト60]]の崩壊を測定した<ref name=Hudson/>。コバルト60（<sup>60</sup>Co）は[[放射性同位体|不安定]]な[[コバルトの同位体]]で、[[β崩壊]]によって安定同位体の[[ニッケルの同位体|ニッケル60]]（<sup>60</sup>Ni）へと崩壊する。この崩壊の間、コバルト60原子核中に存在する33個の[[中性子]]のうちの1つが、[[電子]]（e<sup>&minus;</sup>）および[[電子ニュートリノ|反電子ニュートリノ]]（{{overline|&nu;}}<sub>e</sub>）を1つずつ放出することによって[[陽子]]へと崩壊する。これがコバルト60核をニッケル60核へと変化させる。しかしながら、結果として生じたニッケル核は[[励起状態]]にあり、2つの[[γ線]]を放出することによって直ちに基底状態へと減衰する。したがって、全体の核反応式は以下のようになる。
<math display="block">{}^{60}_{27}\text{Co}  \rightarrow  {}^{60}_{28}\text{Ni} + e^- + \bar{\nu}_e + 2{\gamma}</math>

γ線は[[光子]]であり、ニッケル60原子核からのそれらの放出は[[電磁気学|電磁]]（EM）過程である。ここで、EM過程ではパリティの保存（P保存）が守られることが知られていたことがこの実験において重要である。すなわち、放出されるγ線の分布は、弱い相互作用を介して放出された電子の偏極の[[対照実験|対照]]となると同時に、コバルト60原子の均一性の指標ともなる。ウーの実験は、逆向きの核スピンを持つγ線放射と電子放射の分布を比較した。もし電子がγ線と常に同じ方向、同じ割合で放出されることが分かったならば、P保存は真となる。もし崩壊の方向性が偏る、すなわち、電子の分布がγ線の分布に従わないならば、パリティの破れが証明される。

===材料および手法===
[[File:Wu-Experiment (English).png|thumb|275px|ウーの実験の略図]]

この実験における実験的挑戦は、可能な限り最も高く偏極した<sup>60</sup>Co核を得ることであった。電子と比べて<sup>60</sup>Co核の[[磁気モーメント]]は非常に小さいため、[[液体ヘリウム]]だけで達成できるよりもはるかに低い極低温での高磁場が必要であった。この低温は[[断熱消磁]]の手法を用いることで達成された。放射性コバルトは高度に異方性の[[ランデのg因子]]を持つ常磁性塩である硝酸セリウムマグネシウムの結晶上に表面薄層として蒸着された。

この塩は高いg因子軸に沿って磁化され、温度はヘリウムを低圧へ膨張させることによって1.2&nbsp;Kまで下げられた。水平磁場を切ることで、温度はおよそ0.003&nbsp;Kまで低下した。水平磁石は開かれ、垂直[[ソレノイド]]を導入してコバルト原子核を上向きあるいは下向きに整列させるためにスイッチを入れて作動させた。ソレノイドの磁場では無視できる程の温度の上昇しか起こらなかった。これは、ソレノイドの磁場配向が低いg因子の方向にあるためであった。<sup>60</sup>Co核の高い偏極を達成するこの手法はGorter<ref name=Gorter1948>
{{cite journal
 |last=Gorter|first=C. J.
 |year=1948
 |title=A New Suggestion for Aligning Certain Atomic Nuclei
 |journal=Physica
 |volume=14 |issue=8 |page=504
 |bibcode=1948Phy....14..504G
 |doi=10.1016/0031-8914(48)90004-4
}}</ref>とRose<ref name=Rose1949>
{{cite journal
 |last=Rose |first=M. E.
 |title=On the Production of Nuclear Polarization
 |journal=[[Physical Review]]
 |year=1949
 |volume=75 |issue=1 |page=213
 |bibcode=1949PhRv...75Q.213R
 |doi=10.1103/PhysRev.75.213
}}</ref>によって考案された。

γ線の生成はこの偏極の指標として赤道方向と極方向の計測器を使って測定された。γ線の偏極は、結晶が温まって異方性が失われるまでの15分間にわたって連続的に測定された<ref name="Wu1957"/>。同様にして、β線放出がこの温度上昇の間に連続的に測定された。

===結果===
ウーによって行われた実験において、γ線の偏極は約60%であった<ref name="Wu1957"/>。すなわち、γ線の約60%は一方に放出されたが、40%は他方に放出された。β崩壊においてパリティの保存（P保存）が真であるとすると、電子は核スピンに対して崩壊の優先方向を持たない。しかしながら、ウーは、電子がγ線の放出方向とは反対の方向へ優先的に放出されることを観察した。すなわち、ほとんどの電子は核スピンとは反対方向に崩壊することを非常に明確に好んだ<ref name="Wu1957"/>。後に、[[パリティ対称性の破れ]]が実際に最大破れ<!--maximal violation-->であったことが証明された<ref name=Hudson/><ref>
{{cite journal
 |last1=Ziino |first1=G.
 |year=2006
 |title=New Electroweak Formulation Fundamentally Accounting for the Effect Known as "Maximal Parity-Violation"
 |url=http://link.springer.com/content/pdf/10.1007%2Fs10773-006-9168-2.pdf
 |journal=[[International Journal of Theoretical Physics]]
 |volume=45 |issue=11 |pages=1993–2050
 |bibcode=2006IJTP...45.1993Z
 |doi=10.1007/s10773-006-9168-2
}}</ref>。

この結果は物理学界を非常に驚かせた<ref name=Hudson/>。幾人かの研究者らは慌ててウーのグループの結果の再現実験を開始したが<ref>
{{cite journal
 |last1=Garwin |first1=R. L.
 |last2=Lederman |first2=L. M.
 |last3=Weinrich |first3=M.
 |year=1957
 |title=Observations of the failure of conservation of parity and charge conjugation in meson decays: the magnetic moment of the free muon
 |url=http://www.fas.org/rlg/021557%20Garwin-Lederman-Weinrich.pdf
 |journal=[[Physical Review]]
 |volume=105 |issue=4 |pages=1415–1417
 |bibcode=1957PhRv..105.1415G
 |doi=10.1103/PhysRev.105.1415
}}</ref><ref>
{{cite journal
 |last1=Ambler |first1=E.
 |last2=Hayward |first2=R. W.
 |last3=Hoppes |first3=D. D.
 |last4=Hudson |first4=R. P.
 |last5=Wu |first5=C. S.
 |year=1957
 |title=Further Experiments on Decay of Polarized Nuclei
 |url=http://puhep1.princeton.edu/~kirkmcd/examples/EP/ambler_pr_106_1361_57.pdf
 |journal=[[Physical Review]]
 |volume=106 |issue=6 |pages=1361–1363
 |bibcode=1957PhRv..106.1361A
 |doi=10.1103/PhysRev.106.1361
}}</ref>、結果に懐疑的な反応を示すものもいた。国立標準局に務めていた Georges M. Temmer にP保存がもはや全ての場合に真とは仮定できないという結果を伝えられた[[ヴォルフガング・パウリ]]は「まったくばかげている!」と叫んだ。Temmer はパウリに実験によりそれが確かめられたのだと保証したところ、それに対してパウリはぞんざいに「では再現されなければならない!」と返した<ref name=Hudson/>。1957年の終わりまでに、さらなる研究によってウーのグループの結果が追認され、パリティ対称性の破れがしっかりと実証された<ref name=Hudson/>。

== 機構と論理的帰結==
[[Image:Beta Negative Decay.svg|thumb|200px|right|[[ウィークボソン|W<sup>−</sup>ボソン]]を介した[[中性子]]の[[陽子]]、[[電子]]、[[電子ニュートリノ|反電子ニュートリノ]]へのβ<sup>−</sup>崩壊の[[ファインマン・ダイアグラム]]。]]

ウーの実験の結果は、左右の概念を{{仮リンク|操作的定義|en|operational definition|label=操作的に定義する}}ための手段を提供する。これは弱い相互作用の性質にもともと備わっている。以前は、地球の科学者が新たに発見された惑星の科学者と話をするとして、彼らとじかに合ったことがないとすると、それぞれのグループが他方の左と右を一義的に決定することは不可能だった。ウーの実験を使うと、左と右という単語が厳密に、一義的に何を意味するかを他方のグループに伝えることが可能である。ウーの実験は、左右の一義的定義を科学系に与えるという[[オズマ問題]]を最終的に解決した<ref name="Gardner2005">
{{cite book
 |last=Gardner |first=M.
 |year=2005
 |title=The New Ambidextrous Universe: Symmetry and Asymmetry from Mirror Reflections to Superstrings
 |page=215-218
 |edition=3rd Revised
 |publisher=[[Courier Corporation]]
 |isbn=978-0-486-44244-0
}}</ref>。

[[素粒子]]レベルでは（右図の[[ファインマン・ダイアグラム]]に描かれているように）、β崩壊は[[ウィークボソン|W<sup>−</sup>ボソン]]の放出による負の電荷 (−{{sfrac|1|3}}&nbsp;[[電気素量|e]]) を持つ[[ダウンクォーク]]の正の電荷 (+{{sfrac|2|3}}&nbsp;e) を持つ[[アップクォーク]]への変換によって起こる。W<sup>−</sup>ボソンは続いて電子と反電子ニュートリノへ崩壊する。
{{Indent|{{粒子の記号|d}} → {{粒子の記号|u}} + {{粒子の記号|e}} + {{粒子の記号|反νe}}}}

クォークには[[カイラリティ]]が右巻きのものと左巻きのものがある。クォークが時空上を運動するにつれ、右巻きから左巻き、左巻きから右巻きへとカイラリティの振動が起こる。ウーの実験のパリティ対称性の破れの分析から、ダウンクォークのうち左巻きのもののみが崩壊すること、および弱い相互作用はクォークと左巻きの[[レプトン (素粒子)|レプトン]]（あるいは反クォークと右巻き反レプトン）のみに関与することが推論できる。ダウンクォークのうち右巻きのものは弱い相互作用を単に感じない。もしダウンクォークが質量を持たないとすると振動は起こらず、その右巻き部分はそれだけで極めて安定となる。けれども、ダウンクォークは有限の質量を持つため、実際には振動し、崩壊する<ref name="LedermanHill2013">
{{cite book
 |last1=Lederman |first1=L. M.
 |last2=Hill |first2=C. T.
 |year=2013
 |title=Beyond the God Particle
 |page=125-126
 |publisher=[[Prometheus Books]]
 |isbn=978-1-61614-802-7
}}</ref>。

ウーの実験や{{仮リンク|ゴールドハーバーの実験|de|Goldhaber-Experiment}}といった実験から、質量を持たないニュートリノは左巻き、質量を持たない反ニュートリノは右巻きでなければならないと決定された。現在はニュートリノは小さな質量を持つことが知られているため、右巻きのニュートリノと左巻きの反ニュートリノが存在することが提唱されている。これらのニュートリノは弱い[[ラグランジアン (場の理論)|ラグランジアン]]と結び付かず、重力的にしか相互作用しないので、宇宙の[[暗黒物質]]の一部を形成しているかもしれない<ref name=RHNeutrinosReview>
{{cite journal
 |last1=Drewes |first1=M.
 |year=2013
 |title=The Phenomenology of Right Handed Neutrinos
 |journal=[[International Journal of Modern Physics E]]
 |volume=22 |issue=8 |pages=1330019
 |arxiv=1303.6912
 |bibcode=2013IJMPE..2230019D
 |doi=10.1142/S0218301313300191
}}</ref>。

== 脚注 ==
{{reflist}}

==推薦文献==
*{{cite web
 |last1=Martin |first1=W. C.
 |last2=Coursey |first2=J.
 |last3=Dragoset  |first3=R. A.
 |date=July 1997
 |title=The Fall of Parity
 |url=http://www.nist.gov/pml/general/parity/index.cfm
 |publisher=[[National Institute of Standards and Technology|NIST Physical Measurement Laboratory]]
|accessdate=2017-05-26
}}

== 関連項目==
* [[ベータ崩壊]]
* [[ニュートリノ]]
* [[フェルミ相互作用]]
* [[弱い相互作用]]
* [[電弱相互作用]]
* 『[[自然界における左と右]]』

{{DEFAULTSORT:ううのしつけん}}
[[Category:標準模型]]
[[Category:物理学実験]]
[[Category:1956年の科学]]
[[Category:1956年のアメリカ合衆国]]
[[Category:ワシントンD.C.の歴史]]
[[Category:1956年12月]]
[[Category:物理学のエポニム]]