利昂·莱德曼:在那个周末的晚上,我想到了如何破坏宇称丨展卷

作者: 利昂·莱德曼(Leon M. Lederman)、迪克·太雷西(Dick Teresi)

来源: 返朴

发布日期: 2022-07-31 08:00:45

本文介绍了利昂·莱德曼在1957年1月4日哥伦比亚物理系传统中式午餐聚会上,从李政道那里得知吴健雄正在进行宇称实验的初步成果后,构思了一个新的实验方案,旨在通过观察自旋粒子π介子和μ子的衰变来验证宇称是否守恒。莱德曼在驱车途中想到了如何将实验的一连串奇迹变成现实,并在四天内见证了“上帝的破坏”,等待吴健雄检验结果后一起发表论文。

1957年1月4日,在哥伦比亚物理系传统中式午餐聚会上,莱德曼从李政道那里听得吴健雄正在进行的宇称实验正取得了初步成果。他想要通过另一种方法来验证宇称是否守恒——观察自旋粒子π介子和μ子的衰变,正是李政道和杨振宁1956年论文中提出的其中一个实验设想。当天晚上,莱德曼构思了实验方案,如果成功,他们将看到“巨大的效应”。

在The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question?一书中,莱德曼详细回顾了这段经历,故事的结局是莱德曼和同事在四天内就见证了“上帝的破坏”,并且等待吴健雄检验结果后一起发表论文。本文仅介绍莱德曼在开车路途中是如何想到把实验的一连串奇迹变成现实的。

1957年,吴健雄像我一样在哥伦比亚大学任物理学教授,她是一名很有建树的实验科学家。她的研究专长是原子核的放射性衰变。她精力异常充沛,对学生和博士后要求很严格。在分析实验结果时,她也相当仔细、认真,她发表的实验数据以准确性高而广受赞誉。1956年夏天,当李政道、杨振宁挑战宇称守恒的正确性时,吴健雄几乎马上就着手验证。她选择不稳定的放射性原子钴60的原子核作为实验对象。

钴60的原子核会自发地衰变为一个镍核、一个中微子,以及一个带正电的电子(正电子)。

李政道和杨振宁在他们于1956年发表的论文《弱力中的宇称守恒质疑》里,挑选了一系列反应,并检查了实验中宇称——镜像对称——不受弱相互作用支持的蛛丝马迹。他们感兴趣的是从自旋的原子核里放射出的电子的方向。如果电子更偏爱其中一个方向,那就像是给钴核穿上了缝有纽扣的衬衫。这样的话,我们也就能够说出哪个是真实的实验,哪个是镜像了。

李政道、杨振宁挽起袖子上阵,汗水涔涔,灵感不断。

他们查验了大量有希望用来测试镜像对称的放射性衰变反应。在论文里他们还十分细致地分析了可能的反应,以便保持沉默的实验家能够检验镜像对称是否有效。吴健雄设计了其中的一个实验,她使用的是钴的反应。她的方法的关键是确保钴核——哪怕只有很少的一部分钴核——能以同样的方式自旋。吴健雄提出:要确保这一点,可以让钴60源在极低温度下工作。她的实验极其精密,需要用到很难找到的低温装置。

为此她求助于国家标准局——那里拥有非常先进的自旋调节技术。

下午6点左右,我驱车向北行驶,回到位于多布斯费里的家中吃晚饭。然后,又在这个寂静的夜晚前往哈得孙河畔欧文顿的尼维斯实验室跟我的研究生换班。尼维斯实验室中的400兆电子伏加速器是生成介子及研究其性质的主力干将,20世纪50年代,介子可是一种相当新的粒子。在那些快乐的日子里,只有几种介子值得关心,而尼维斯关注的是π介子和μ子。

在尼维斯实验室,我们拥有高强度的π介子流,它们出自一个被质子轰击的靶。π介子并不稳定,它们从靶里飞出,脱离开加速器,穿过屏蔽墙,再进入实验厅,其间有大约20%的粒子经历了弱衰变,转变为一个μ子和一个中微子。π→μ+ν(在飞行过程中)巨大的效应μ子通常与π介子沿同一方向飞行。如果宇称规律被推翻,自旋轴的方向与运动方向一致的μ子数量,就会多于自旋轴的指向与其飞行方向相反的μ子的数量。

如果效应巨大,大自然或许会给我们提供粒子全都以同样方式自旋的一个实例。

实验室里,马赛尔正在启动设备。μ子会慢慢地落到一个3英寸厚的滤波器里,然后被送到一块含有各种元素的1英寸厚的材料里暂存。μ子会与材料里的原子温和地碰撞而失去能量,并由于带有负电荷而最终被带正电荷的原子核俘获。由于我们不想让任何东西影响μ子的自旋方向,而被俘获进轨道则是毁灭性的,所以我们要使用带正电荷的μ子。

带正电荷的μ子会做什么呢?可能就是在那里默默自旋直到衰变。材料必须谨慎选取,碳看起来就很合适。

现在,一个关键的想法浮现于我这个在1月的某个星期五驱车北行的司机的脑海里。如果在π介子衰变时产生的所有(或几乎所有)μ子能够以某种方式把自旋调整成同一方向,那就意味着π介子到μ子的反应违背了宇称守恒,并且是严重地违背。一个巨大的效应!

现在,假设μ子沿着优美的弧线飞出机器穿过隧道的时候,它们的自旋轴与运动方向保持平行(如果g因子接近2,这就是会发生的实际情况);再进一步假设,μ子与碳原子发生的数不清的温和碰撞,在使自己逐渐慢下来的同时,并不影响自旋与运动方向之间的关系。如果这一切真的发生了,那就太离奇了!我就会有了一个让μ子进入材料块里暂存,并以相同方向旋转的方案。

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