Come mai ci si è accorti che la parità non si conserva nelle interazioni deboli? sulla base dell’osservazione dell’esistenza di questi modi di decadere.

Presentazione sul tema: "Come mai ci si è accorti che la parità non si conserva nelle interazioni deboli? sulla base dell’osservazione dell’esistenza di questi modi di decadere."— Transcript della presentazione:

1 come mai ci si è accorti che la parità non si conserva nelle interazioni deboli?
sulla base dell’osservazione dell’esistenza di questi modi di decadere del mesone K+ il K+ è stato scoperto in emulsione nei raggi cosmici nel 1947, nel decadimento in 3  dalla misura della vita media si è capito che decade debolmente si è quasi subito rivelata una seconda particella,con la stessa massa m e vita media , ma con decadimento in 2 i due modi di decadere non hanno la stessa parità. sulla base di una analisi critica di tutti i dati sperimentali disponibili Yang e Lee (1956) sono arrivati alla conclusione che non c’era nessuna prova sperimentale della conservazione della parità nelle interazioni deboli

2  - puzzle Parity - a quantum number describing the symmetry of the mirror reflection. The parity operation reverses the sign of the spatial coordinates of the wavefunction: P (r,t)= (-r,t). Parity is even if P =+ , parity is odd if P = - . For a state with orbital angular momentum l the parity is (-1)l.  + decays into  + 0 and has a parity (-1)J if its spin is J: i.e. JP=0+ or 1- or  + has JP=0- or 2- or ... according to Dalitz analysis of    +  +  - - decay. However their masses and lifetimes were known to be similar. Are they the same particle? If yes, the parity is not conserved in weak interactions and decays. This means that the weak force behaves differently in left-handed and right-handed coordinate systems: it can distinguish left from right, image from mirror image.

3 Test of parity conservation
Lee and Yang analysed all available data and demonstrated that there is no evidence for or against parity conservation in weak interactions (unlike strong and electromagnetic interactions). Test: to observe a dependence of a decay rate (or cross section) on a term that changes sign under the parity operation. If decay rate or cross section changes under parity operation, then the parity is not conserved. Parity reverses momenta and positions but not angular momenta (or spins). Spin is an axial vector and does not change sign under parity operation. Beta decay of neutron in a real and mirror worlds: If parity is conserved, then the probability of electron emission at q is equal to that at 180o-q. Selected orientation of neutron spins - polarisation. q 180o-q mirror Pe neutron Pe

4 Wu’s experiment Beta-decay of 60Co to 60Ni*. The excited 60Ni* decays to the ground state through two successive g emissions with g energies and MeV. National Bureau of Standards (Ambler et al.) - nuclear polarisation through spin alignment in a large magnetic field at 0.01oK. At low temperature thermal motion does not destroy the alignment. Polarisation was transferred from 60Co to 60Ni nuclei. Degree of polarisation was measured through the anisotropy of gamma-rays. Beta particles from 60Co decay were detected by a thin anthracene crystal (scintillator) placed above the 60Co source. Scintillations were transmitted to the photomultiplier tube (PMT) on top of the cryostat.

5 Wu’s experiment Photons were detected by two NaI crystals (scintillators). Difference in the counting rate (g anisotropy) showed the degree of polarisation. The time of experiment - several minutes (before the set up warmed up and the polarisation disappeared). Polarising magnetic field was applied in both directions (up and down).

6 Wu’s results Graphs: top and middle - gamma anisotropy (difference in counting rate between two NaI crystals) - control of polarisation; bottom - b asymmetry - counting rate in the anthracene crystal relative to the rate without polarisation (after the set up was warmed up) for two orientations of magnetic field. Similar behaviour of gamma anisotropy and beta asymmetry. Rate was different for the two magnetic field orientations. Asymmetry disappeared when the crystal was warmed up (the magnetic field was still present): connection of beta asymmetry with spin orientation (not with magnetic field).

7 Parity violation in beta decay
Conclusion: clear indication of parity violation. Angular distribution of electron intensity: where a=-1 for electrons and +1 for positrons. P - polarisation. Two terms: the first term (unity) is scalar (even parity, does not change sign under reflection), J is an axial vector and does not change the sign either, Pe is the polar vector and change sign. So, the product JЈ Pe changes sign and is pseudoscalar (odd parity). The presence of both terms implies a parity mixture. Solution to the t-q - puzzle: they are the same particle K+, but parity is not conserved in weak decays and K+ decays in several different modes.

8 la non conservazione della parità nel decadimento 
mme Wu 1957 60Co a 0,01K in un campo magnetico esterno è polarizzato decadimento  del 60Co polarizzato in 60Ni* polarizzato, con emissione di elettroni  è un’interazione di Gamow- Teller Perkins 7.2 Che cosa si intende quando si dice che il Cobalto è polarizzato? Si intende dire che gli spin ( e quindi i momenti magnetici delle molecole) sono in larga parte diretti in una direzione determinata: è la direzione del campo magnetico esterno H. la presenza di un termine pseudoscalare nella Lagrangiana di interazione del decadimento beta di 60Co si manifesta come un’assimetria nella distribuzione degli elettroni- emessi. Lo spin è assiale.

9 distribuzione elettroni
pe momento elettrone Ee energia elettrone La distribuzione angolare degli elettroni enmessi è usata per testare la conservazione della parità. Infatti: Perkins 7.2. sigma = vettore unitario in direzione dello spin del Co La conservazione della componente del momento angolare lungo la direzione del campo magnetico H m.f. implica che anche lo spin dell’elettrone deve essere allineato con lo spin di 60Co.

10 la determinazione sperimentale della polarizzazione degli elettroni:
Si definisce polarizzazione longitudinale degli elettroni il termine Pe dove adesso il termine  si riferisce agli elettroni. Quindi l’assimetria nella emissione  è legata alla polarizzazione degli elettroni polarizzazione degli elettroni in funzione di v/c Moeller scattering scattering su materiale (P=-v/c) Perkins : Il grafico dimostra che si può ottenere la polarizzazione degli elettroni dalla velocità nello scattering Moeller la determinazione sperimentale della polarizzazione degli elettroni:

11 si misurava la asimmetria angolare avanti-indietro dell’ elettrone uscente
contemporaneamente ed in modo continuo si doveva misurare il grado di polarizzazione del Cobalto il grado di polarizzazione del Cobalto era misurato in base alla distribuzione angolare dei decadimenti in  del Niobio, emessi dai livelli eccitati del Niobio.

12 la non conservazione della parità nel decadimento 
La distribuzione degli elettroni I() è sensibile alla parità perchè contiene un termine pseudoscalare . Se la parità non si conserva, allora la distribuzione cambia per “applicazione di parità”

13 “Applicare l’operatore parità “ ad una distribuzione angolare, quindi ad una funzione di , come per esempio I(), vuol dire andare a vedere cosa succede ad I(-). Quindi vuol dire misurare la sezione d’urto a  e a - “immagine speculare” Quindi la parità si conserva nel decadimento di Co60, se si trova lo stesso numero di elettroni emessi a  o a - La parità non si conserva se questo non accade , e cioè se c’è una “assimmetria avanti-indietro”

14 Per polarizzare i nuclei di C60  metodo di Rose-Garter
esperimento di Mme Wu Si portava un campione di cristallo di Co60 a 0.04K (smagnetizzazione adiabatica) Campione : Sulla cui superfice era stao fatto crescere un piccolo monocristallo di Co60 criostato Si accendeva il solenoide orientatore collocato attorno al campione. Gli elettroni erano rivelati da uno scintillatore di antracene posto verticalmente sopra la sorgente. Il fotomoltiplicatore era posto allésterno del criostato collegato con una guida di luce di lucite Il campo magnetico scalda il campione. Quindi Co60 perde polarizzazione, che deve essere continuamente misurata. Contatori a NaI misuravano l ‘ assimetria nella produzione di gamma prodotto nel NaI

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16 evidenza sperimentale di Mme Wu
Conteggi dei contatori NaI in funzione del tempo. Notare che la polarizzazione del Co60 si annulla dopo ~10’, quando il campione è “caldo” . I conteggi sono nornalizzati a quelli del campione “caldo”. Anisotropia gamma  grado di polarizzazione Co60 Conteggio  con campo magnetico orientato su e giu Il decadimento viola la paritá