Asimmetrie: come fu scoperta la violazione di P

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15/11/2013 21:23 - 10/02/2017 11:24 #114 da P. Strolin
P. Strolin ha creato la discussione Asimmetrie: come fu scoperta la violazione di P
Asimmetrie: come fu scoperta la violazione della Parità
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Per domande: autore o Domanda a un esperto
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Questo articolo è scritto per chi vuole approfondire la sua conoscenza degli aspetti sperimentali della “Violazione della Parità”, trattata in Asimmetrie: violazione della Parità e neutrino allo specchio . Esso riprende, sintetizzandolo, parte del suo contenuto e lo estende con la descrizione dell’esperimento che fu primo nell’annunciare la scoperta. Vogliamo con questo dare un esempio di trattazione a livello semi-professionale. L’articolo è parte di una serie sulle Asimmetrie delineata in Asimmetrie al grandangolare , ove sono anche esposti gli essenziali concetti propedeutici.

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Fig. 1. Bulla etrusca (V sec. a.C.)
Provenienza Comacchio (Italia)
Walters Art Museum, Baltimore, USA
Immagine Walters Art Museum
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Tecnologia da tempi mitologici

L’importanza della Tecnologia era già chiara nella Mitologia greca . Il Re di Creta Minosse aveva rinchiuso Dedalo nel Labirinto assieme al figlio Icaro, per punirlo di aver aiutato Arianna a uscire dal Labirinto e fuggire da Creta con il suo Teseo. Dedalo, sempre pieno di idee, per fuggire a sua volta assieme a Icaro inventò una nuova tecnologia: "protesi alari" per volare. Nonostante che il padre gli avesse ben detto che la tecnologia non era ancora abbastanza avanzata per avvicinarsi al Sole, Icaro volle tentare l’esperimento. La cera che fissava le ali al suo corpo si sciolse ed egli precipitò in mare.

La figura 1 mostra un prezioso e singolare prodotto di oreficeria etrusca: un amuleto (“ bulla ”) da portare appeso a una collana. Dedalo è rappresentato su una faccia e Icaro sull’altra. La presenza di figure mitologiche in un oggetto di uso corrente mostra che per gli antichi greci la Mitologia era parte della vita. I nostri nuovi miti sono personaggi che mettiamo su magliette.

La necessità di possedere una tecnologia adeguata all’ambizione esiste per vincere ogni sfida anche non scientifica. L'esempio - qui riportato - dell'esperimento che portò alla scoperta della violazione della Parità mostra che un fattore importante per il successo resta la scelta coraggiosa e corretta di tecnologie di avanguardia. Più sottile è rendersi conto che non sempre la tecnologia vincente è quella più avanzata in senso assoluto: l’affidabilità conta e bisogna riflettere su quello che veramente serve.


Violazione della Parità

Le leggi della fisica classica sono caratterizzate da simmetrie. Da questo derivò l'idea che i fenomeni fisici le rispettino anche al livello fondamentale delle particelle elementari. In particolare questo vale per la simmetria rispetto a una trasformazione di “Parità”, definita in Asimmetrie al grandangolare e consistente in un’inversione di tutte coordinate spaziali. Come specificato nel suddetto articolo, ai fini di una facile visualizzazione essa è correntemente assimilata a una riflessione in uno specchio anche se questo non è corretto sotto ogni aspetto.
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Fig.2. Chien-Shiung Wu nel suo laboratorio
Immagine CEA - Saclay
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Come esposto in Asimmetrie: violazione della Parità e neutrino allo specchio , nel 1956 Tsung Dao Lee e Chen Ning Yang ipotizzarono che la "Interazione Debole" (vedete Interazione Elettro-Debole ) implichi una “violazione della Parità”.

L’ipotesi di una violazione della Parità innescò una gara tra sperimentatori per la sua scoperta. L’esperimento vincente fu quello condotto a termine agli inizi del 1957 da Chien-Shiung Wu (mostrata in figura 2, un poco in posa). Si giunse così alla smentita del secolare giudizio o pregiudizio della simmetria delle leggi fisiche al livello fondamentale.

La scoperta fu effettuata studiando il "decadimento β nucleare" (vedete Radioattività e decadimenti nucleari ), nel quale assieme a un elettrone è emesso un neutrino . La chiara osservazione sperimentale risultò collegata a una singolare proprietà del neutrino, da porre in relazione al valore praticamente nullo della sua massa: l’esistere con una sola "elicità” (vedete Lo spin e Spin e elicità dell'elementare ): lo spin dei neutrini è sempre e solo sinistrorso rispetto alla direzione del moto e quello degli anti-neutrini destrorso. In una visione trasposta al mondo macroscopico, i neutrini sono come eliche che avanzano girando in un sol modo.

L'esperimento è illustrato in Asimmetrie: violazione della Parità e neutrino allo specchio . In questo articolo ne approfondiamo gli aspetti concettuali e esponiamo quelli di carattere sperimentale. Una descrizione di questi ultimi è anche fornita sul sito Web del NIST, la denominazione attuale del National Bureau of Standards nel cui laboratorio delle basse temperature esso fu effettuato l'esperimento essendovi disponibile una delle tecnologie essenziali.


Il concetto dell'esperimento

E' un piccolo e raffinatissimo esperimento, concettualmente semplice ed essenziale. Il processo fisico osservato è il decadimento β dell' isotopo radioattivo Cobalto-60 (Z = 27) in Nichel-60 (Z = 28) con emissione di un elettrone e- e di un neutrino (per la precisione un anti-neutrino di tipo elettronico νe [/size]), invisibile nell'esperimento. E' fondamentale che i nuclei di Cobalto-60 siano "polarizzati", come vedremo. Il processo fisico è schematicamente illustrato in figura 3a, con la solita barra superiore a indicare lo stato di anti-particella.
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Fig. 3. Il decadimento β del Cobalto-60 polarizzato
Immagine (d) da Wikipedia
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Fig. 4. Gli elettroni sono emessi nella direzione verso
la quale punta lo spin del Cobalto-60 - Immagine NIST
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I nuclei di Cobalto-60 hanno momento angolare di "spin" J = 5 e decadono a riposo in uno stato instabile del Nichel-60, perdendo un momento angolare di spin ΔJ = 1. Vedete Lo spin e Spin e elicità dell'elementare per il concetto di spin e quello di "elicità", che incontreremo e sintetizzeremo a breve.

I nuclei di Cobalto-60 sono polarizzati, cioè con spin per quanto tecnicamente possibile tutti orientati in una determinata direzione mediante un campo magnetico, come l'ago di una bussola. La proiezione nella direzione del campo magnetico del momento angolare di spin ΔJ perso nel decadimento è così idealmente prefissata al valore +1. Essa è indicata in figura 3b dalla sequenza delle due doppie frecce superiori, ciascuna delle quali vale +½.

Elettrone e antineutrino hanno spin s = ½. Per la conservazione del momento angolare essi ereditano lo spin ΔJ = 1 perso dal Cobalto-60, per cui la somma delle proiezioni dei loro spin è prefissata a +1: non resta loro che essere orientati come indicato in figura 3c dalle doppie frecce superiori, ciascuno contribuendo con +½.

Avvicinandoci al dunque, vediamo ora le direzioni e i versi di emissione dell'elettrone e il neutrino.

Essendo il Cobalto-60 a riposo nello stato finale nel decadimento, per la conservazione della quantità di moto l'elettrone e il neutrino sono emessi nella stessa direzione ma in versi opposti. La figura 3d schematizza il caso in cui questa direzione coincide esattamente con quella del campo magnetico, con versi di emissione indicati da frecce inferiori.

Per l'elettrone e il neutrino, come in generale per particelle in moto, è naturale riferirsi alla proiezione dello spin alla direzione e verso del moto. Questa proiezione è la cosiddetta "elicità”: +½. (destrorsa, R) se lo spin è orientato nella direzione del moto, -½ (sinistrorsa, L) se lo è in verso opposto. Il nome viene dall'analogia con il verso di avanzamento nel moto di avvitamento di un'elica nell'aria.

Come si è visto, la polarizzazione del Cobalto-60 fissa i versi degli spin dell'elettrone e del neutrino: a essi vanno quindi comparati i versi di emissione al fine di determinare le rispettive elicità.

In assenza di violazione di Parità, l'elettrone e l'anti-neutrino sono emessi in egual misura con le elicità mostrate in figura 3d, rispettivamente sinistrorsa e destrorsa, o con quelle opposte. L'esperimento evidenziò che non è così. Vedremo che i dati sperimentali presentano una forte asimmetria in favore della configurazione in figura 3d: fu così scoperta la violazione della Parità. Successivamente, si trovò che la violazione della Parità è totale: la configurazione di elicità è unicamente quella mostrata in figura 3d.


Polarizzazione del Cobalto-60

La polarizzazione è ottenuta mediante un campo magnetico, che in linea di principio orienta lo spin come in fisica classica fa con un ago di bussola. Ma l’ago di bussola se ne sta tranquillo e si lascia docilmente orientare. Gli spin, nel loro mondo microscopico, si trovano in una situazione totalmente diversa: essi sono compartecipi di uno stato generale di “ agitazione termica ”, predominante nello scompigliare gli orientamenti degli spin che il campo magnetico si affanna a orientare.

Alla “energia di agitazione termica” corrisponde la grandezza chiamata “temperatura”, che ne costituisce una misura a livello macroscopico. Per essere polarizzato e mantenuto tale, il Cobalto-60 deve essere “ultra-surgelato” a una temperatura estremamente vicina allo zero assoluto (T = 0 K per definizione gradi Kelvin , corrispondente a -273,15 o C), l'irraggiungibile temperatura limite alla quale ogni moto di agitazione termica si arresta nel modo più totale. Nell'esperimento fu raggiunta la temperatura T = 0,003 K, mediante tecniche raffinatissime e complesse per l'epoca.

La figura 4 fornisce una rappresentazione grafica idealizzata del processo fisico osservato. La presenza del campo magnetico è simbolicamente indicata da un polo Nord e uno Sud. La polarizzazione è suggerita dalla forma oblunga dei nuclei. La figura mostra anche gli elettroni emessi in una sola direzione. Le figure 3 e 4, pur con spirito totalmente diverso, si corrispondono salvo una casuale opposta orientazione dell'asse orizzontale.



Fig. 5. Schema dell'apparato sperimentale (non in scala)
A destra: fotografia della camera a vuoto - Immagine: NIST

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Fig. 6. Schema della camera a vuoto e del suo contenuto
Da Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay
Phys. Rev. 105 (1957) 1413 - Immagine Physical Review


Apparato sperimentale

La figura 5 a sinistra mostra uno schema dell’apparato sperimentale, con la scala verticale ridotta rispetto a quella orizzontale. Il campione di Cobalto-60 (specimen) è collocato in una camera a vuoto in vetro, situata nella parte più interna dell'apparato e mostrata anche nella fotografia a destra in figura 5. La camera a vuoto con il suo contenuto costituisce il cuore dell'esperimento ed è schematicamente mostrata con maggiori dettagli in figura 6, in scala e tratta dalla pubblicazione originale .

Il Cobalto-60 (specimen) è depositato sotto forma di uno strato sottile su un supporto all’interno della camera a vuoto. La rivelazione degli elettroni e la trasmissione all’esterno del segnale corrispondente pongono un arduo problema. Esso è risolto ponendo un cristallo di antracene (counter in figura 5, anthracene crystal in figura 6) a breve distanza dal Cobalto-60. Il cristallo di antracene ha proprietà “ scintillanti ”, cioè emette luce quando è colpito da un elettrone.

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Fig. 7. Inserimento della camera a vuoto
nel dewar - Immagine NIST
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Fig. 8. L'effetto osservato
Da Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay
Phys. Rev. 105 (1957) 1413 - Immagine Physical Review

La propagazione della luce non è influenzata dal campo magnetico, cosicché la luce di scintillazione può essere convogliata verso l’esterno tramite riflessioni totali multiple all’interno di una “ guida di luce ”, costituita di uno speciale materiale plastico (lucite rod). La flebile luce prodotta dagli elettroni viene così portata a un sensibilissimo occhio elettronico - detto “ fotomoltiplicatore ” - situato fuori dalla regione interessata dal campo magnetico, che ne comprometterebbe il corretto funzionamento. Il fotomoltiplicatore (non mostrato nelle figure 5 e 6) converte il segnale luminoso in uno elettrico e lo amplifica in modo che possa essere elaborato e misurato mediante dispositivi elettronici.

Dopo il raffreddamento alla temperatura voluta mediante un’apparecchiatura a parte, la camera a vuoto è posta entro un contenitore altamente isolante dal punto di vista termico (un " dewar ", versione tecnica degli usuali thermos), immersa in Elio liquido (liquid Helium in figura 5, con temperatura di ebollizione di 4,2 K a pressione atmosferica) a sua volta circondato dal molto più comune Azoto liquido (liquid Nitrogen in figura 5).

La figura 7, che dà anche un'idea immediata delle dimensioni dell'esperimento, si vedono gli operatori nell'atto di inserire la camera a vuoto nel dewar. Il dewar è poi inserito all’interno del magnete che polarizza il Cobalto-60 (pole of magnet in figura 5).


La Parità non c'è

Per evidenziare un’'asimmetria, è molto più semplice e preciso misurare il flusso di elettroni con lo stesso rivelatore per opposte polarizzazioni del Cobalto-60, cioè invertendo la polarità del campo magnetico, piuttosto che duplicare il rivelatore per osservare l’emissione dell’elettrone in direzioni opposte.

La figura 8 riporta dalla pubblicazione originale i conteggi misurati per le due polarità in funzione del tempo, riferiti a quelli misurati dopo un tempo tale da far scomparire la polarizzazione per riscaldamento del Cobalto-60 (circa 8 minuti). I dati sperimentali mostrano una chiara asimmetria: la Parità è violata.


Donne, specchio e Parità

Abbiamo ricordato all’inizio che la trasformazione di Parità è correntemente assimilata a una riflessione in uno specchio. La Psicologia ha associato il mitologico Narciso che guarda la propria immagine riflessa a un certo tipo di rapporto delle persone con se stesse, detto appunto narcisistico. Famosa è la rappresentazione pittorica data dal Narciso di Palazzo Barberini a Roma, generalmente attribuito al Caravaggio (1571-1610). Tuttavia, nella vita di tutti i giorni tendiamo ad associare lo specchio alla donna.


Fig. 9. Sposa allo specchio in una scena di riti dionisiaci, Villa dei Misteri, Pompei
Immagine © Foto Scala Firenze - Victoria and Albert Museum Londra - Arte & Affreschi

Il tema donna e specchio è presente da tempi antichi anche nell’iconografia. La figura 9 ne dà un esempio con uno degli splendidi e ... misteriosi affreschi con riti dionisiaci nel triclinio della Villa dei Misteri a Pompei (I secolo a.C.). Un esempio più tardo ne è la matrona romana nel vivido mosaico (fine IV – inizio V sec. d.C.) dalle Terme di Sidi Ghrib nell’attuale Tunisia, conservato al Museo del Bardo a Tunisi. Ve ne sono altri. Tra i più famosi basti pensare alla Donna allo specchio di Tiziano Vecellio (circa 1490-1586) al Museo del Louvre a Parigi, alla Venere alla toeletta di Diego Velasquez (1599-1660) alla National Gallery di Londra, o alla Ragazza davanti a uno specchio di Pablo Picasso (1881-1973) al Museum of Modern Art di New York.
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Fig. 10. Francesco Tullio Altan
Donna allo specchio
Immagine L'Espresso - Orsa bipolare
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Fig. 11. Francesco Tullio Altan
Nascere donna
Immagine L'Espresso - La montagna incantata

E per quanto riguarda la vita corrente è quasi universalmente accettato (dagli uomini) che è più il tempo che gli uomini aspettano che la loro donna finisca di armeggiare allo specchio in preda ai suoi dilemmi, che non il contrario. Un'idea ne è data da Francesco Tullio Altan in figura 10.

La scoperta della Violazione della Parità da parte di Chien-Shiung Wu offre un nuovo motivo per associare specchio e donna. Ma quello che è più importante è che smentisce la vignetta di Altan in figura 11.


Paolo Strolin
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Professore Emerito di Fisica Sperimentale
Università di Napoli "Federico II"
Complesso Univ. Monte S. Angelo
Via Cintia - 80126 Napoli - Italy
Ultima modifica: 10/02/2017 11:24 da Paolo.

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