Чжень-Сюн У: вирішальний внесок у відкриття порушення парності у слабких взаємодіях

Китайсько-американська фізикиня Чжень-Сюн У (1912–1997) стала однією з найвидатніших експериментаторок XX століття. Вона загалом відома як «перша леді фізики», а головне – тим, що здійснила перше експериментальне підтвердження того, що принцип дзеркальної симетрії (парності) не виконується у слабкій взаємодії [1][2]. Це відкриття докорінно змінило наші уявлення про будову світу, оскільки раніше вважалося, що фізичні закони однаково діють у звичайному та віддзеркаленому світі. Саме експеримент Чжень-Сюн У довів, що у випадку β-розпаду ізотопу кобальту-60 β-частинки випромінюються асиметрично, даючи чітку перевагу одному напрямку, і тим самим продемонстрував порушення парності в процесах слабкої взаємодії[2][1].

Біографія і науковий шлях Чжень-Сюн У

У дорослому житті Чжень-Сюн У постійно поєднувала практичну роботу в лабораторії з академічною діяльністю. Народилася неподалік Шанхаю, У отримала вищу освіту в Китаї, а згодом емігрувала до США. У 1934 році вона закінчила фізичний факультет Національного центрального університету в Нанкіні, а вже у 1936 р. вирушила до Каліфорнійського університету в Берклі для продовження навчання. Під керівництвом Ернесто Лоуренса вона закінчила аспірантуру в 1940 році. Під час Другої світової війни У працювала над Манхеттенським проєктом у Колумбійському університеті – вона удосконалювала Ґейгерівські лічильники та технології збагачення урану, що стали основою для створення ядерної зброї[2].

Чжень-Сюн У на зборах у Колумбійському університеті в 1958 році.

У ті роки ядерні процеси описувалися формулою Айнштайна E = mc², що демонструвала взаємозв’язок маси і енергії в атомних реакціях. Після війни У залишилася в Колумбії і швидко зарекомендувала себе як майстер експериментальної фізики. Зокрема, вона вдосконалила методи вимірювання β-розпадів і вперше підтвердила теорію Енріко Фермі про бета-розпад, підвищивши точність експериментів[3][2]. У 1958 р. Чжень-Сюн У стала повною професоркою в Колумбійському університеті і пізніше отримала почесну кафедру Майкла Пупіна (1973).

Парність та симетрія в фізиці

Ідея парності виникла у фізиці на початку XX століття разом з теорією квантової механіки. Після того, як Ернест Резерфорд у 1911 році відкрив атомне ядро[5], вчені активно досліджували внутрішню структуру атома. У 1920-х роках Євген Вігнер формалізував поняття парності – дзеркальної симетрії координат – як фундаментальну властивість квантових систем. За цією ідеєю просторові координати замінюються протилежними (x → –x, y → –y, z → –z), і фізичні закони мали залишатися незмінними. До середини XX століття більшість фізиків беззастережно вважала, що парність є універсальним законом природи. Інтуїтивно уявлялося, що «дзеркальний світ» був би невідрізненним від реального, просто всі процеси в ньому відбувалися б з ліво-правим реверсом[4]. Багато експериментів вже підтверджували збереження парності у сильній (ядерній) і електромагнітній взаємодіях. Проте паралельні дослідження слабких процесів на той час не дали чітких даних – вважалося просто, що правила симетрії поширюються й на них[4].

Вернер Гайзенберг та Юджин Вігнер (1928). Автор: GFHund - Власна робота, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=11206502

У червні 1956 року Цен-Нін Ян і Цун-Дао Лі, спираючись на суперечливі результати спостережень «θ-τ ребуса» в розпадах месонів, висунули гіпотезу, що принцип парності може не дотримуватися у слабких взаємодіях. Вони опублікували коротку статтю з пропозицією декількох експериментів для перевірки цієї ідеї. Головною ідеєю став саме простий експеримент з бета-розпадом: якщо парність справжня, то ідентичні ізотопи з протилежним спрямуванням спіну мають випромінювати β-частинки однаково вгору і вниз. Якщо ж реальність виявиться «лівшою» чи «правшою», то інтенсивність випромінювання за двома полюсами магніту буде різною[4].

Експеримент Чжень-Сюн У та порушення парності

Щоб перевірити гіпотезу Лі і Яна, Чжень-Сюн У спроектувала експеримент у спеціальній низькотемпературній лабораторії Національного бюро стандартів США. Вона обрала як мішень радіоактивний ізотоп кобальту-60, що розпадається за допомогою β-розпаду з перетворенням у нікель-60 і випусканням електрона та антинейтрино. Зразок ⁶⁰Co у вакуумній посудині було охолоджено до температури близько 0 K методом адіабатичного розмагнічування. Завдяки наднизькій температурі практично всі ядра кобальту-60 виявилися вирівняними за спіном уздовж осі магнітного поля. У цих умовах У вимірювала розподіл напрямків вилітаючих β-частинок за допомогою детекторів, розташованих біля полюсів магніту. За класичним законом збереження парності β-частинок мали би вилітати однаково в усі напрямки навколо осі. Проте експеримент показав протилежне: число електронів виявилося значно більшим у одному напрямку (у бік, протилежний напрямку спіну ядер)[2]. Це однозначно означало, що у β-розпаді кобальту-60 відбувається порушення парності.

Чжень-Сюн У спланувала експеримент і очолила групу дослідників, яка провела перевірку збереження парності в 1956 році. Зображення: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=18759827

Отриманий результат справив шок на фізиків усього світу. Вперше за багато десятиліть було встановлено, що окремі механізми природи (зокрема, слабка взаємодія) «люблять» одну руку більше за іншу – у дзеркальному відображенні світ уже не невідрізним від реального. Як згадували сучасники, стало ясно, що «Природа виявилася квазі-лівшею». Це підважило один із фундаментальних принципів, який 30 років вважали беззаперечним[4]. Порушення парності відкривало нові горизонти: воно зумовило розвиток теорії слабкої взаємодії, пояснення характеристик елементарних частинок (згодом – CP-порушення) та подальші відкриття. Зокрема, Богато виразів квантової теорії було переглянуто після цієї події.

Ілюстрація бета-розпаду. Зображення: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1889501

Чжень-Сюн У назавжди увійшла в історію фізики як «мати експериментального доказу порушення парності». Її колеги-теоретики Лі та Ян за цю роботу отримали Нобелівську премію з фізики 1957 року[1], що формально визнало відкриття. У тексті їхньої промови впізнають згадку про виконаний У експеримент, але сама вона Нобелем не була відзначена. Лише значно пізніше Чжень-Сюн У отримала світове визнання: у 1975 р. стала першою жінкою-президентом Американського фізичного товариства, а у 1978 р. вперше удостоїлася Премії Вольфа з фізики[2].

Історичне відкриття порушення парності у слабких взаємодіях, здійснене завдяки експерименту У, стало ключовим доказом того, що природа ліворука у певних процесах. Воно глибоко змінює наше розуміння фундаментальних сил і дедалі відкриває нові можливості для розвитку фізики елементарних частинок.

Список використаних джерел:

1. Encyclopaedia Britannica. Chien-Shiung Wu (Chinese-American physicist, 1912–1997) – Last Updated May 25, 2025. URL: britannica.com

2. National Park Service. Dr. Chien-Shiung Wu, The First Lady of Physics. 2022. URL: nps.gov

3. Oxford University Museum of Natural History. Chien-Shiung Wu – Learn. URL: oumnh.ox.ac.uk

4. History: December 27, 1956: Fall of Parity Conservation // APS News. 2001. URL: aps.org.

5. American Institute of Physics. Rutherford’s Nuclear World: The Story of the Discovery of the Atomic Nucleus. 2011. URL: history.aip.org.