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2026-04-27T18:30:04Z

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Das '''Wu-Experiment''' wurde 1956 von der chinesisch-amerikanischen Physikerin [[Chien-Shiung Wu]] in Zusammenarbeit mit der [[Tieftemperaturphysik|Tieftemperatur]]<nowiki/>gruppe des [[National Bureau of Standards]] durchgeführt. Dabei wurde festgestellt, dass beim [[Betazerfall]] des Cobalt-60-Atomkerns die [[Parität (Physik)|Parität]] nicht erhalten bleibt.<ref name="Wu1957" >{{cite journal|journal=[[Physical Review]]|volume=105|pages=1413–1415|date=1957|author=C. S. Wu|coauthors=E. Ambler, R. W. Hayward, D. D. Hoppes, R. P. Hudson|title=Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay|doi=10.1103/PhysRev.105.1413|language=en}}</ref>

Das Experiment war im selben Jahr von [[Tsung-Dao Lee]] und [[Chen Ning Yang]] vorgeschlagen worden. Sie hatten sich mit dem Zerfall des [[Kaon|K-Mesons]] befasst, der über die [[schwache Wechselwirkung]] erfolgt und unerklärliche Eigenschaften aufwies. Als Erklärung schlugen sie vor, dass bei der schwachen Wechselwirkung die Erhaltung der Parität verletzt sein könnte. Sie zeigten, dass keines der bisherigen Experimente eine solche [[Paritätsverletzung]] ausschloss (oder belegte).

Das Resultat erregte großes Aufsehen, denn es widersprach der zuvor meist als selbstverständlich vorausgesetzten Annahme, dass alle Naturgesetze spiegelsymmetrisch seien, also zum Beispiel für Rechtsdrehung und Linksdrehung gleichermaßen gelten müssten. Lee und Yang, nicht aber Wu, erhielten für die Entdeckung der Paritätsverletzung 1957 den [[Nobelpreis für Physik]].

== Vorgeschichte ==
1927 wurde von [[Eugene Paul Wigner]] die [[Quantenzahl #Paritätsquantenzahl|Paritätsquantenzahl]] als [[Symmetrie (Physik)|Symmetrie]]<nowiki/>eigenschaft der [[Wellenfunktion]]en der [[Zustand (Quantenmechanik)|Zustände]] des [[Atom]]s eingeführt. Bei physikalischen Vorgängen, die in [[Raumspiegelung|gespiegelter]] Form genau so ablaufen würden, bleibt diese Quantenzahl erhalten. Dabei galt als sicher, dass es davon überhaupt keine Ausnahme gibt.

1947 entdeckte man die heute „[[Kaon]]en“ genannten Teilchen, die durch schwache Wechselwirkung zerfallen. Seltsamerweise schien es zwei Arten zu geben, τ und θ genannt, die sich in der Parität ihres Zerfalls unterschieden aber ansonsten in allen Eigenschaften übereinstimmten. Als mögliche Lösung des „[[Kaon#Das τ-θ-Rätsel und die Paritätsverletzung|τ-θ-Rätsels]]“ schlugen Lee und Yang vor, dass bei der [[schwache Wechselwirkung|schwachen Wechselwirkung]], im Gegensatz zur [[Gravitation]], zur [[Starke Wechselwirkung|starken]] und zur [[Elektromagnetische Wechselwirkung|elektromagnetischen Wechselwirkung]], die Parität nicht erhalten bleibt. Sie wiesen darauf hin, dass diese Frage noch nie genau geprüft worden war, und schlugen spezielle Experimente dafür vor, darunter das Wu-Experiment.<ref name="LeeYang1956" >{{cite journal|journal=[[Physical Review]]| volume=104|pages=254–258|date=1956|author=T. D. Lee, C. N. Yang|title=Question of Parity Conservation in Weak Interactions|doi=10.1103/PhysRev.104.254|language=en}}</ref><ref name="telegdi-interview" />

== Das Experiment ==
=== Grundidee ===

Lee und Yang schlugen vor, die Emissionsrichtung von Elektronen beim [[Betazerfall]] polarisierter [[Atomkern]]e 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 <math>\theta</math> zur z-Achse emittiert, der zwischen 0° („nach oben“) bis 180° („nach 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 <math>\theta</math> emittiert“ ist äquivalent zur Aussage „der Kern drehte sich rechtsherum und das Elektron wurde im Winkel <math>180^\circ\!-\!\theta</math> emittiert“. Lee und Yang schlugen vor, die Winkelverteilung <math>I_L(\theta)</math> – was gleichbedeutend mit <math>I_R(180^\circ\!-\!\theta)</math> ist – zu messen. Falls die Physik des Betazerfalls spiegelsymmetrisch ist, muss stets gelten:
: <math>I_L(\theta) = I_R(\theta)</math> („seitlich aufgestellter Spiegel“)
oder gleichbedeutend
: <math>I_L(\theta) = I_L(180^\circ\!-\!\theta)</math> („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 ===
[[Datei:Wu-Experiment wikipedia.png|miniatur|rechts|Schematische Darstellung des Aufbaus des Wu-Experiments.]]
Für das Experiment wurden 60Co-[[Atomkern]]e magnetisch so ausgerichtet, dass ihre [[Spin]]s in eine Vorzugsrichtung zeigten (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 [[Magnetisches Dipolmoment #Intrinsisches magnetisches Moment von Teilchen|magnetischen Moments]] der Kerne waren extrem niedrige Temperaturen im [[Kelvin|Millikelvin]]-Bereich und hohe Magnetfelder notwendig, die allein durch Kühlung mit flüssigem Helium und Einsatz einer Spule nicht zu erzielen waren. Dies gelang aber mit Hilfe der Gorter-Rose-Methode,<ref>{{cite journal|journal=[[Physica]]|volume=14|pages=504|date=1948|author=C.J. Gorter|title=A New Suggestion for Aligning Certain Atomic Nuclei|language=en}}</ref><ref>{{cite journal|journal=[[Physical Review]]|volume=75|pages=213|date=1949|author=M.E. Rose|title= On the Production of Nuclear Polarization|language=en}}</ref> die bereits 1953 erfolgreich mit 60Co-Kernen demonstriert worden war.<ref>{{cite journal|journal=[[Philosophical Magazine]]|volume=44|pages=215|date=1953|author=E. Ambler|coauthors=M.A. Grace, H. Halban, N. Kurti, H. Durand, C.E. Johnson|title=Nuclear Polarization of Cobalt 60|language=en}}</ref> Dazu wurden 60Co-Kerne in ein [[paramagnetisch]]es [[Salze|Salz]] (CeMg-Nitrat) eingelagert, das einen stark [[anisotrop]]en [[Landé-Faktor|g-Faktor]] hat und in einem [[Kryostat]]en 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 [[Adiabatische Zustandsänderung|adiabatisch]] [[Adiabatische Entmagnetisierung|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-[[Ion]]en 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:
:<math>{}^{60}_{27}\text{Co} \rightarrow {}^{60}_{28}\text{Ni}^* + \mathrm e^- + \bar{\nu}_\mathrm e.</math>
Der 60Co-Polarisationsgrad konnte über die Anisotropie der vom angeregten Tochterkern 60Ni emittierten [[Photon]]en ermittelt werden (Zerfallskaskade: 4+ → 2+ → 0+ ).

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

== Das Resultat ==

Wu stellte fest, dass deutlich mehr Elektronen antiparallel zur Spinrichtung der Kerne emittiert wurden als parallel dazu.

Der Mutterkern hat die z-Komponente des Spins ''S''z = +5, der ([[Angeregter Zustand|angeregte]]) Tochterkern ''S''z = +4. Das entstehende [[Elektron]] und das [[Antineutrino]] tragen jeweils Spin ''S'' = ½. Aufgrund der [[Drehimpulserhaltung]] zeigen ihre Spins also beide in die Spinrichtung des Cobaltkerns und liegen damit parallel zum Magnetfeld.
Die Elektronen wurden also vorwiegend antiparallel ihrer eigenen Spinrichtung emittiert, hatten also vorwiegend negative [[Helizität]]. Der Unterschied hatte die theoretisch maximal mögliche Größe.

Kurz nach dem Wu-Experiment wurde die Paritätsverletzung beim [[Myon]]en-Zerfall nachgewiesen.<ref>{{cite journal|journal=[[Physical Review]]|volume=105|pages=1415–1417|date=15. Februar 1957|author=[[Richard Garwin|Richard L. Garwin]] | coauthors=[[Leon Max Lederman|Leon M. Lederman]], Marcel Weinrich|title=Observations of the Failure of Conservation of Parity and Charge Conjugation in Meson Decays: the Magnetic Moment of the Free Muon|doi=10.1103/PhysRev.105.1415|language=en}}</ref><ref>{{cite journal|journal=[[Physical Review]]|volume=106|pages=1290|date=15. Juni 1957|author=[[Jerome Isaac Friedman|Jerome I. Friedman]] und [[Valentine Telegdi|V. L. Telegdi]] |title=Nuclear Emulsion Evidence for Parity Nonconservation in the Decay Chain π+ → μ+ → e+|doi=10.1103/PhysRev.106.1290|language=en}}</ref> Ein Jahr später zeigte das [[Goldhaber-Experiment]], dass es nur [[Helizität|linkshändige]] [[Neutrino]]s und rechtshändige [[Antineutrino]]s gibt.

Die Verletzung der Parität ist keine kleine Korrektur, sondern maximal bei der schwachen Wechselwirkung. Sie ist sozusagen eines ihrer Kennzeichen. Eine Erklärung fand sie bald darauf in der [[V-A-Theorie]] der schwachen Wechselwirkung, in der das Austauschteilchen, das [[W-Boson]], nur an [[Helizität|linkshändige]] Teilchen (bzw. rechtshändige [[Antiteilchen]]) koppelt. Das W-Boson wurde 1983 experimentell nachgewiesen.

Nachdem die Verletzung der Raumspiegelungssymmetrie '''P''' gezeigt worden war, nahm man zunächst noch an, dass der [[Operator (Mathematik)|Operator]] '''CP''', die Kombination aus Raumspiegelung und [[Ladungskonjugation|Ladungsvertauschung]], eine ungebrochene Symmetrie ist, bis 1964 auch hier eine [[Symmetriebrechung #Brechung einer diskreten Symmetrie|Verletzung]] festgestellt wurde, die [[CP-Verletzung]] beim [[Kaon]]-Zerfall.

Die kombinierte Symmetrie '''CPT''' hingegen ('''T''' für ''Time'' bezeichnet die [[Zeitumkehr (Physik)|Zeitumkehr]]) ist in allen Wechselwirkungen erhalten. So lautet die Aussage des [[CPT-Theorem]]s, das im Rahmen der [[Quantenfeldtheorie]] bewiesen werden kann.

== Einzelnachweise ==
<references>
<ref name="telegdi-interview">
''[P]eople think Lee and Yang said, “This is the solution to the tau-theta puzzle,” but they proposed other solutions as well. I read their paper in preprint and instantly decided that I should work on that. And I can tell you that my senior colleagues were all against it. They said, “Why should you waste your time on such an unlikely thing?” It looked like a completely outlandish idea. [...] It was contrary to everything you had ever learned in quantum mechanics. It was a very bold statement. That’s why very few people wanted to do the experiment—because they felt that it was so unlikely.'' [[Valentine Telegdi]], Interview März 2002 [https://digital.archives.caltech.edu/collections/OralHistories/OH_Telegdi_V/OH_Telegdi_V.pdf]
</ref>
</references>

== Weblinks ==
* [https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/sp958-lide/111-115.pdf Reversal of the Parity Conservation Law in Nuclear Physics] (englisch)

[[Kategorie:Kernphysik]]
[[Kategorie:Physikalisches Experiment]]
[[Kategorie:Schwache Wechselwirkung]]

Wu-Experiment - Versionsgeschichte

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