Wu-Experiment

Grundidee

Lee und Yang schlugen vor, die Emissionsrichtung von Elektronen beim Betazerfall polarisierter Atomkerne zu vermessen. Als Beispiel nannten sie Cobalt-60 (⁶⁰Co), den Kern, der dann auch im Wu-Experiment verwendet wurde.

Der ⁶⁰Co-Kern hat einen Eigendrehimpuls (Spin), der entsprechend einer gewählten z-Achse entweder linksdrehend (von „oben“ gesehen gegen den Uhrzeigersinn) oder rechtsdrehend ist. Beim Betazerfall wird ein Elektron in einem Winkel ${\displaystyle \theta }$ zur z-Achse emittiert, der zwischen 0° („oben“) bis 180° („unten“) liegt. Das Vorzeichen der z-Richtung kann willkürlich festgelegt werden, d. h. die Aussage „der Kern drehte sich linksherum und das Elektron wurde im Winkel ${\displaystyle \theta }$ emittiert“ ist äquivalent zur Aussage „der Kern drehte sich rechtsherum und das Elektron wurde im Winkel ${\displaystyle 180^{\circ }\!-\!\theta }$ emittiert“. Lee und Yang schlugen vor, die Winkelverteilung ${\displaystyle I_{L}(\theta )}$ – was gleichbedeutend mit ${\displaystyle I_{R}(180^{\circ }\!-\!\theta )}$ ist – zu messen. Falls die Physik des Betazerfalls spiegelsymmetrisch ist, muss stets gelten:

${\displaystyle I_{L}(\theta )=I_{R}(\theta )}$ („seitlich aufgestellter Spiegel“)

oder gleichbedeutend

${\displaystyle I_{L}(\theta )=I_{L}(180^{\circ }\!-\!\theta )}$ („auf den Boden gelegter Spiegel“).

Sollte sich irgendeine Abweichung zeigen, wäre dies ein Nachweis von Paritätsverletzung. Dabei wäre keine präzise Messung der Winkelverteilung erforderlich; schon ein summarischer Unterschied zwischen Emission nach oben (0° bis 90°) und unten (90° bis 180°) würde genügen.

Aufbau und Durchführung

Für das Experiment wurden ⁶⁰Co-Atomkerne magnetisch so ausgerichtet, dass ihre Spins in eine Vorzugsrichtung zeigen (nämlich parallel zum Magnetfeld). Die experimentelle Herausforderung lag darin, eine möglichst hohe Spinpolarisation der Kerne zu erzielen. Aufgrund des – im Vergleich zu Elektronen – sehr geringen magnetischen Moments der Kerne waren extrem niedrige Temperaturen im Millikelvin-Bereich und hohe Magnetfelder notwendig, die ausschließlich durch Kühlung mit flüssigem Helium und Einsatz einer Spule nicht zu erzielen waren. Dies gelang aber mit Hilfe der Gorter-Rose-Methode,^[4][5] die bereits 1953 erfolgreich mit ⁶⁰Co-Kernen demonstriert worden war.^[6] Dazu wurden ⁶⁰Co-Kerne in ein paramagnetisches Salz (CeMg-Nitrat) eingelagert, das einen stark anisotropen g-Faktor hat und in einem Kryostaten durch flüssiges Helium und Abpumpen von gasförmigem Helium bei einer Temperatur von ca. 1,2 Kelvin gehalten wurde. Zunächst wurde das Salz durch ein Magnetfeld entlang der Achse mit dem größeren g-Faktor magnetisiert und anschließend adiabatisch entmagnetisiert, woraus eine Temperatursenkung auf ca. 0,003 Kelvin resultierte. Anschließend wurde das Salz entlang der Richtung des niedrigen g-Faktors (z-Richtung) magnetisiert, wodurch nur ein vernachlässigbarer Temperaturanstieg hervorgerufen wurde. Aufgrund der Polarisation der Elektronenhülle der Cobalt-Ionen und des damit verbundenen Magnetfeldes liegt ein deutlich höheres Magnetfeld in Kernnähe vor, so dass ein Polarisationsgrad der ⁶⁰Co-Kerne von ca. 60 % erreicht wurde.

Das betrachtete Cobalt-Isotop zerfällt in einem Beta-Minus-Zerfall in einen angeregten Zustand von Nickel-60:

${\displaystyle {}_{27}^{60}{\text{Co}}\rightarrow {}_{28}^{60}{\text{Ni}}^{*}+\mathrm {e} ^{-}+{\bar {\nu }}_{\mathrm {e} }.}$

Der ⁶⁰Co-Polarisationsgrad konnte über die Anisotropie der vom angeregten Tochterkern ⁶⁰Ni emittierten Photonen ermittelt werden (Zerfallskaskade: 4⁺ → 2⁺ → 0⁺ ).

Nun wurde mit einem Detektor die Anzahl der emittierten Elektronen (d. h. die Beta-Strahlung) in negativer z-Richtung gemessen, einmal mit Magnetfeld in +z-Richtung, einmal entgegengesetzt.