Experiment Goldhaber

Experimentul lui Goldhaber , numit după Maurice Goldhaber , este un experiment de fizică care a fost efectuat pentru prima dată în 1957 la Laboratorul Național Brookhaven . ^[1] A fost primul experiment în care helicitatea neutrino a putut fi determinată după ce încălcarea parității a fost descoperită în experimentul lui Wu anul anterior.

Context

În experiment, a fost utilizat un nucleu de ¹⁵² Eu într-o stare izomerică (metastabilă) care se descompune prin captarea electronilor Se emite un neutrino:

{}^{\text{152m}}{\text{Eu}}+{\text{e}}^{-}\rightarrow {}^{\text{152}}{\text{Sm}}^{*}+\nu _{e}+950\,{\text{keV}}

{\ displaystyle {} ^ {\ text {152m}} {\ text {Eu}} + {\ text {e}} ^ {-} \ rightarrow {} ^ {\ text {152}} {\ text {Sm} } ^ {*} + \ nu _ {e} +950 \, {\ text {keV}}}

{\ displaystyle {} ^ {\ text {152m}} {\ text {Eu}} + {\ text {e}} ^ {-} \ rightarrow {} ^ {\ text {152}} {\ text {Sm} } ^ {*} + \ nu _ {e} +950 \, {\ text {keV}}}

Nucleul copil ¹⁵² Sm se află într-o stare excitată după degradare (indicat de asterisc). Energia de excitație este eliberată la scurt timp prin emisia unui foton :

{}^{\text{152}}{\text{Sm}}^{*}\rightarrow {}^{\text{152}}{\text{Sm}}+\gamma +961\,{\text{keV}}

{\ displaystyle {} ^ {\ text {152}} {\ text {Sm}} ^ {*} \ rightarrow {} ^ {\ text {152}} {\ text {Sm}} + \ gamma +961 \, {\ text {keV}}}

{\ displaystyle {} ^ {\ text {152}} {\ text {Sm}} ^ {*} \ rightarrow {} ^ {\ text {152}} {\ text {Sm}} + \ gamma +961 \, {\ text {keV}}}

Totuși, aici energia de excitație este distribuită între reculul miezului Sm și fotonul gamma.

Captarea electronică și dezexcitația ulterioară îndeplinesc o serie de cerințe, fără de care experimentul în această formă nu ar fi posibil:

Conservarea centrifugării 0 ^- → 1 ^- → 0 ⁺
Energia produsă în cele două procese este aproape aceeași (deviație de aproximativ 1%)
Durată foarte scurtă de ¹⁵² Sm ^* (τ = 3 × 10 ⁻¹⁴ S)

În timp ce planifica experimentul, Goldhaber nu a fost inițial sigur dacă a existat și un izotop care să îndeplinească aceste cerințe.

Determinarea direcției de zbor a neutrinului

Structura schematică a experimentului Goldhaber.

Graficul din dreapta arată configurarea experimentului. Detectarea fotonilor din dezintegrarea Sm se bazează pe împrăștierea rezonantă a fotonilor pe o țintă Sm ₂ O ₃ fixată într-un inel în jurul detectorului. Ecranul conic de plumb împiedică fotonii produși de degradarea europiumului să ajungă direct la detector. Răspândirea prin rezonanță are loc prin efectul Mössbauer (care constă în emisia fără răsucire a razelor gamma de către un nucleu și în absorbția consecventă a acestora de către un alt nucleu):

\gamma +{}^{\text{152}}{\text{Sm}}\rightarrow {}^{\text{152}}{\text{Sm}}^{*}\rightarrow {}^{\text{152}}{\text{Sm}}+\gamma

{\ displaystyle \ gamma + {} ^ {\ text {152}} {\ text {Sm}} \ rightarrow {} ^ {\ text {152}} {\ text {Sm}} ^ {*} \ rightarrow {} ^ {\ text {152}} {\ text {Sm}} + \ gamma}

{\ displaystyle \ gamma + {} ^ {\ text {152}} {\ text {Sm}} \ rightarrow {} ^ {\ text {152}} {\ text {Sm}} ^ {*} \ rightarrow {} ^ {\ text {152}} {\ text {Sm}} + \ gamma}

O absorbție rezonantă de samariu nu ar fi posibilă în mod normal, deoarece fotonul emis de ¹⁵² Sm ^* după decăderea de ¹⁵² Eu nu are energia completă de 961 keV datorită reculului nuclear: energia de recul este de aproximativ 3,2 eV, în timp ce lățimea liniei naturale este doar aproximativ 10 ⁻² eV. În consecință, nu se poate produce absorbție, deoarece energia fotonului este semnificativ mai mică decât energia de excitație necesară.

Determinarea helicității neutrinoase

Helicitatea neutrino poate fi obținută prin studierea rotirilor elementelor implicate în dezintegrare. Evident, trebuie luată în considerare conservarea impulsului unghiular. Mai jos, săgețile unice indică impulsul particulelor, iar săgețile duble indică rotirea, cu o săgeată dublă scurtă pentru ½ rotire.

Rotația nucleului de ^{152 m} Eu este 0. Deoarece tranziția este o decădere pură Gamow-Teller, nucleul copil samariu are starea de paritate de rotație 1 ^- . Momentul unghiular al stării inițiale este ½, deoarece nucleul are un spin de 0 iar electronul din învelișul K are un moment unghiular orbital l = 0, dar are spin ½. Deoarece neutrino are spin ½, spinul nucleului copil trebuie să fie opus celui al neutrino. Prin urmare, pot apărea următoarele două dezintegrări:

{\begin{array}{ccccccccccc}\Leftarrow &&\Rightarrow &&\Leftarrow \Leftarrow &&\Rightarrow &&\Leftarrow &&\Rightarrow \Rightarrow \\{}^{152}{\text{Eu}}&\longrightarrow &\nu _{e}&+&{}^{152}{\text{Sm}}^{*}&\quad {\text{oppure}}\quad &{}^{152}{\text{Eu}}&\longrightarrow &\nu _{e}&+&{}^{152}{\text{Sm}}^{*}\\&&\longleftarrow &&\longrightarrow &&&&\longleftarrow &&\longrightarrow \\\end{array}}

{\ displaystyle {\ begin {array} {ccccccccccc} \ Leftarrow && \ Rightarrow && \ Leftarrow \ Leftarrow && \ Rightarrow && \ Leftarrow && \ Rightarrow \ Rightarrow \\ {} ^ {152} {\ text {Eu}} & \ longrightarrow & \ nu _ {e} & + & {} ^ {152} {\ text {Sm}} ^ {*} & \ quad {\ text {or}} \ quad & {} ^ {152} {\ text {Eu}} & \ longrightarrow & \ nu _ {e} & + & {} ^ {152} {\ text {Sm}} ^ {*} \\ && \ longleftarrow && \ longrightarrow &&&& \ longleftarrow && \ longrightarrow \\ \ end {array}}}

{\ displaystyle {\ begin {array} {ccccccccccc} \ Leftarrow && \ Rightarrow && \ Leftarrow \ Leftarrow && \ Rightarrow && \ Leftarrow && \ Rightarrow \ Rightarrow \\ {} ^ {152} {\ text {Eu}} & \ longrightarrow & \ nu _ {e} & + & {} ^ {152} {\ text {Sm}} ^ {*} & \ quad {\ text {or}} \ quad & {} ^ {152} {\ text {Eu}} & \ longrightarrow & \ nu _ {e} & + & {} ^ {152} {\ text {Sm}} ^ {*} \\ && \ longleftarrow && \ longrightarrow &&&& \ longleftarrow && \ longrightarrow \\ \ end {array}}}

Rezultă că neutrino din sistemul de referință al laboratorului are aceeași helicitate ca și nucleul copil ¹⁵² Sm ^* : în primul caz -1, în al doilea +1.

În următoarea emisie gamma, fotonul are starea de paritate de spin 1 ^- . Miezul de ¹⁵² Sm este un miez uniform (samariul are Z = 62 și N = 90) și, prin urmare, se află în starea 0 ⁺ . În cazul unei emisii mai mici de 180 ° în raport cu direcția de emisie a neutrino, se aplică următoarele:

{\begin{array}{ccccccccccc}\Leftarrow \Leftarrow &&&&\Leftarrow \Leftarrow &&\Rightarrow \Rightarrow &&&&\Rightarrow \Rightarrow \\{}^{152}{\text{Sm}}^{*}&\longrightarrow &{}^{152}{\text{Sm}}&+&\gamma &\quad {\text{oppure}}\quad &{}^{152}{\text{Sm}}^{*}&\longrightarrow &{}^{152}{\text{Sm}}&+&\gamma \\\longrightarrow &&&&\longrightarrow &&\longrightarrow &&&&\longrightarrow \\\end{array}}

{\ displaystyle {\ begin {array} {ccccccccccc} \ Leftarrow \ Leftarrow &&&& \ Leftarrow \ Leftarrow && \ Rightarrow \ Rightarrow &&&& \ Rightarrow \ Rightarrow \\ {} ^ {152} {\ text {Sm}} ^ {*} & \ longrightarrow & {} ^ {152} {\ text {Sm}} & + & \ gamma & \ quad {\ text {or}} \ quad & {} ^ {152} {\ text {Sm}} ^ { *} & \ longrightarrow & {} ^ {152} {\ text {Sm}} & + & \ gamma \\\ longrightarrow &&&& \ longrightarrow && \ longrightarrow &&&& \ longrightarrow \\\ end {array}}}

{\ displaystyle {\ begin {array} {ccccccccccc} \ Leftarrow \ Leftarrow &&&& \ Leftarrow \ Leftarrow && \ Rightarrow \ Rightarrow &&&& \ Rightarrow \ Rightarrow \\ {} ^ {152} {\ text {Sm}} ^ {*} & \ longrightarrow & {} ^ {152} {\ text {Sm}} & + & \ gamma & \ quad {\ text {or}} \ quad & {} ^ {152} {\ text {Sm}} ^ { *} & \ longrightarrow & {} ^ {152} {\ text {Sm}} & + & \ gamma \\\ longrightarrow &&&& \ longrightarrow && \ longrightarrow &&&&& longrightarrow \\\ end {array}}}

În cazul împrăștierii rezonante, helicitatea fotonului corespunde cu cea a nucleului ¹⁵² Sm ^* și, prin urmare, cu cea a neutrinului:

{\mathcal {H}}(\gamma )={\mathcal {H}}(\nu )

{\ displaystyle {\ mathcal {H}} (\ gamma) = {\ mathcal {H}} (\ nu)}

{\ displaystyle {\ mathcal {H}} (\ gamma) = {\ mathcal {H}} (\ nu)}

Prin măsurarea helicității fotonului este deci posibil să se obțină helicitatea neutrinului. Măsura afirmă în cele din urmă că helicitatea neutrino este

{\mathcal {H}}(\nu _{e})=-1{,}0\pm 0{,}3

{\ displaystyle {\ mathcal {H}} (\ nu _ {e}) = - 1 {,} 0 \ pm 0 {,} 3}

{\ displaystyle {\ mathcal {H}} (\ nu _ {e}) = - 1 {,} 0 \ pm 0 {,} 3}

.

Consecinţă

Experimentul a arătat că neutrinii sunt de natură doar stângaci , în timp ce antineutrinii sunt dreptaci. Prin urmare, este o confirmare importantă a teoriei VA, care prezice încălcarea parității interacțiunii slabe .

Notă

^ Maurice Goldhaber, Lee Grodzins și Andrew W. Sunyar , Helicity of Neutrinos , în Physical Review , vol. 109, nr. 3, 1958, pp. 1015-1017, DOI : 10.1103 / PhysRev.109.1015 .

Bibliografie

(EN) Bogdan Povh, Klaus Rith, Christoph Scholz și Frank Zetsche, Particles and Cores, ediția a VI-a, Springer, 2004, ISBN 3-540-21065-2 .
( DE ) Walter Greiner și Berndt Müller, Eichtheorie der schwachen Wechselwirkung , ediția a II-a, Harri Deutsch, 1995, ISBN 3-8171-1427-3 .

Elemente conexe

Experiment Wu

Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica

[Goldhaber1958-1] Maurice Goldhaber, Lee Grodzins și Andrew W. Sunyar , Helicity of Neutrinos , în Physical Review , vol. 109, nr. 3, 1958, pp. 1015-1017, DOI : 10.1103 / PhysRev.109.1015 .

[1]