Esperimento di Wu
L’esperimento di Wu dimostrò in modo sperimentale che la parità non è conservata nelle interazioni deboli. La cosiddetta "rottura della parità".
Fino agli anni ’50 si pensava che tutte le leggi della fisica fossero simmetriche per riflessione rispetto allo spazio, cioè invarianti se si scambiavano destra e sinistra.
In altre parole, si credeva che un processo fisico e la sua immagine allo specchio fossero entrambi possibili in natura.
Questa proprietà è chiamata invarianza di parità o simmetria di parità.
Ad esempio, un elettrone e un positrone possono annichilarsi emettendo due fotoni in direzioni opposte. Se si considera il processo specchiato, in cui la posizione dell’elettrone e del positrone è invertita, il fenomeno rimane fisicamente possibile e obbedisce alle stesse leggi. Questo mostra che l’annichilazione elettrone-positrone conserva la parità: il processo e la sua immagine allo specchio sono entrambi realizzabili in natura.
Da Newton a Dirac, l’idea che la natura “non faccia preferenze” veniva spesso assunta come un fatto naturale, più che come un’ipotesi da verificare sperimentalmente.
Era una convinzione radicata in una visione dell’universo quasi platonica, inteso come una struttura armoniosa e simmetrica.
Nel 1956, però, Tsung-Dao Lee e Chen-Ning Yang notarono qualcosa di sorprendente: nessun esperimento aveva mai verificato la conservazione della parità nelle interazioni deboli. Proposero quindi un test sperimentale concreto.
L’esperimento fu realizzato nel 1957 dalla fisica statunitense Chien-Shiung Wu sul decadimento beta del cobalto-60:
\[ ^{60}\text{Co} \rightarrow ^{60}\text{Ni} + e^- + \bar{\nu}_e \]
L’idea chiave era allineare gli spin dei nuclei di cobalto tutti nella stessa direzione tramite un forte campo magnetico e osservare in quale direzione vengono emessi gli elettroni.
Per evitare effetti termici che avrebbero disturbato l’allineamento degli spin, il campione venne raffreddato a temperature estremamente basse, prossime allo zero assoluto nella scala Kelvin.
Il risultato mostrò che gli elettroni venivano emessi preferibilmente nella direzione opposta allo spin del nucleo.
Non veniva mai osservato il caso “specchiato” in cui gli elettroni fossero emessi nella stessa direzione dello spin nucleare, come ci si aspetterebbe se la parità fosse una simmetria della natura.
Nota. Nella figura a sinistra è rappresentato il fenomeno reale: l’elettrone viene emesso verso il basso e il suo spin ruota in senso antiorario, con la polarità N - S orientata verso l’alto. Nella figura a destra è mostrata la configurazione speculare. In questo caso l’elettrone è ancora emesso verso il basso, ma la rotazione, essendo riflessa, avviene in senso orario e la polarità N - S risulta orientata verso il basso. Questa configurazione speculare, tuttavia, non corrisponde a un processo fisicamente osservabile. Ciò indica che la simmetria per riflessione spaziale non è rispettata: nei processi deboli la parità è violata.
Quindi, per la prima volta venne osservata la rottura della parità in natura, ossia una violazione della parità in un processo fisico reale. class="codice"
L'esperimento dimostrò che la parità non è una simmetria dell’interazione debole e che la simmetria non è un principio assoluto, ma qualcosa che la natura può violare.
In pratica, l’universo distingue realmente tra destra e sinistra. Non è una piccola asimmetria: è una proprietà fondamentale delle leggi fisiche.
Successivi esperimenti confermarono questo risultato, nonostante lo scetticismo iniziale di parte della comunità scientifica, incluso quello di Wolfgang Pauli, che riteneva impossibile una simile violazione.
Nota. La violazione della parità non fu solo un’anomalia sperimentale: rappresentò un colpo profondo all’idea di un universo intrinsecamente armonico e simmetrico. Fino a quel momento, la simmetria era stata considerata un principio naturale, più che un’ipotesi da verificare. L’esperimento di Wu mostrò invece che essa era stata semplicemente data per scontata, mai realmente testata nelle interazioni deboli. In questo senso, l’esperimento rivelò anche un limite umano: gli scienziati, talvolta, possono essere prigionieri delle proprie convinzioni teoriche.
Da quel momento in poi, la fisica smise di cercare soltanto l’eleganza formale e iniziò a confrontarsi con una realtà più profonda e meno rassicurante, in cui la simmetria non è un principio universale, ma una proprietà che la natura può scegliere di violare.
Dopo l’esperimento di Wu, ogni simmetria cominciò a essere guardata con sospetto.
Questa scoperta aprì la strada alla formulazione moderna della teoria elettrodebole e valse a Lee e Yang il Premio Nobel per la Fisica nel 1957 per l’interpretazione teorica del fenomeno. L’esperimento decisivo che ne dimostrò la validità fu però realizzato da Chien-Shiung Wu, il cui contributo rimane fondamentale nella storia della fisica.
Ulteriori studi mostrarono infine che l’interazione debole viola la parità anche in altri processi fisici.
Ad esempio, i neutrini sono sempre sinistrorsi, mentre gli antineutrini sono sempre destrorsi. Questo fatto è stato confermato sperimentalmente. Perché la natura abbia fatto questa scelta, però, non lo sappiamo ancora.
E così via.
