Man kann sich nicht auf ein Experiment festlegen, dass die Physik am stärksten beeinflusst hat. Aber müsste man doch eine kurze Liste erstellen, so muss auf jeden Fall das Experiment dabei sein, das Frau Wu 1956 durchführte, und nachweisen konnte dass in der Schwachen Wechselwirkung die Parität verletzt wird. Bei dieser kleinen, schwachen Kraft wird unser Bild von Symmetrie im Raum zerdeppert.

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Chien-Shiung Wu stammte aus Shanghai und ging nach ihrem Bachelor in die USA um ihre Promotion anzugehen. Sie arbeitete mit Ernest Lawrence in Berkeley, dem Nobelpreisträger und Erfinder des Zyklotron. 1940 promovierte sie und arbeitete später am Manhattan-Projekt. Sie galt als führende Expertin für den Beta-Zerfall, und setzte dieses Wissen ein, um in einem bemerkenswert eleganten Experiment 1956 die Paritätsverletzung in der Schwachen Wechselwirkung nachzuweisen, die Lee und Yang theoretisch vorhergesagt hatten.
Es dürfte eine der größten Ungerechtigkeiten sein, dass Lee und Yang den Nobelpreis erhielten, aber die Experimentatorin Wu übergangen wurde.

Parität, Spin und Betazerfall

Symmetrien sind die Grundlage der Physik. Durch die Betrachtung, wie Wechselwirkungen sich unter grundlegenden Symmetrien (Zeitumkehr, Ladungsumkehr, Raumspiegelung) verhalten, lernen wir etwas über diese Kräfte und invarante Größen.
Die Schwache Wechselwirkung ist (Überraschung!), die schwächste der Kräfte die im Atom wirken; die Gravitation ist noch viel schwächer und daher im Atom nicht relevant. Die Schwache aber verursacht den Betazerfall, und wurde daher im Zusammenhang mit Radioaktivität erforscht. So bemerkenswert macht sie die Tatsache, dass sie die P-Symmetrie verletzt, den Vorgang der Raumspiegelung. Dabei wird quasi allen Raumkoordinaten das umgekehrte Vorzeichen verpasst – auch wenn es intuitiv völlig klar wäre, dass sich dadurch nichts an einem Prozess tut – in der Schwachen passiert es doch.
Um das zu beobachten, braucht man den Spin: diese intrinsische Eigenschaft eines Teilchen ändert sich nicht unter Raumspiegelung. Daraus stammt die Idee für das Wu-Experiment: Man richtet die Spins von Atomen aus, die einen Betazerfall machen, und schaut sich an wo das Betateilchen, das Elektron, dann hinfliegt.

Das Experiment

Frau Wu nahm dafür Cobalt-60 Kerne. Bei enorm tiefen Temperaturen kann man diese dazu bringen, sich in einem Magnetfeld auszurichten, sodass alle Atom-Spins in eine Richtung zeigen. Das Atom macht einen Zerfall zu Nickel, bei dem ein Elektron e (und ein Anti-Elektron-Neutrino) herauskommen, und der Spin des emittierten Elektrons muss aus Erhaltungsgründen auch in die gleiche Richtung zeigen wie der das Cobalt. Dennoch sollte das Elektron in eine der beiden Richtungen, also in Richtung des Spin oder entgegen dazu, ausgesendet werden.

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Man stellt also auf beide Seiten einen Detektor (oder einfacher: Man nimmt einen Detektor und kehrt das Magnetfeld um) und zählt, wieviele Elektronen in jede der beiden Richtungen fliegen: Und nur ein Detektor sieht Elektronen, der in Gegenrichtung zum Spin. Die Raumspiegelung ist nicht erhalten.

Helizität

Die Richtung des Elektrons ist durch seinen Spin festgelegt – und diese Verbindung wird definiert durch das mitemittierte Neutrino. Dieses Teilchen kann nur über die Schwache Wechselwirkung interagieren, und besitzt die bemerkenswerte Eigenschaft, dass Spin und Flugrichtung gekoppelt sind. Das hier mitemittierte Antineutrino ist rechtshändig, das heißt dass Spin und Flugrichtung immer gleich zeigen.
Aus Erhaltungsgründen müssen sich die Spins aber zu 0 addieren, außerdem ist der Spin des Elektron festgelegt – und somit der des Antineutrino entgegengesetzt dazu. Daraus wissen wir dann aber auch in welcher Richtung des Antineutrino fliegen muss, in Richtung seines Spins, denn es ist immer rechtshändig. Wieder aus Erhaltungsgründen bleibt dem Elektron nichts weiter übrig, als in die andere Richtung zu fliegen.
Die Kopplung von Spin und Flugrichtung beim Neutrino verletzt die Parität maximal. Die Produktion gemeinsam mit dem Antineutrino begrenzt deswegen die eigentliche freie Flugrichtung des Elektrons.

Um nicht noch eine Ungerechtigkeit in einer Ungerechtigkeit zu begehen, sollte aber auch erwähnt werden, dass Frau Wu nur mit Hilfe des National Bureau of Standards durchführen konnte.
Den Nobelpreis für Physik für den experimentellen Nachweis, dass fundamentale, selbstverständliche Annahmen über die Symmetrie des Raumes nicht so gelten, hätte aber Chien-Shiung Wu verdient.

Kommentare (10)

  1. #1 Sim
    03/08/2010

    Wirklich interessant. Ich hatte erst vor ein paar Tagen von Wu und ihrem Experiment und der Nobelpreisungerechtigkeit bei Lisa Randall gelesen.

  2. #2 Michael Schmitt
    03/08/2010

    Ich finde diesen Artikel sehr treffend, weil es heute International Women’s Day ist. Ich habe sogar einen ping-back auf mein eigenes Blog geschrieben (C.S. Wu and the lack of a Nobel Prize).

    Michael

  3. #3 Webbaer
    03/09/2010

    Schöner Artikel, am Rande aber hier noch etwas zum von der Redaktion verzapften Teaser mit der Headline “Was hat das Nobelpreis-Komitee gegen Frauen?”.

    A: Möglicherweise gar nichts.
    Und wenn doch, dann werden sie vom Nobelpreis-Komitee systematisch unterdrückt, es gilt dann vielleicht: Die Obpression des Patriarchats ist allgegenwärtig!
    En passant kurz angemerkt: Es sind auch einige Moslems ganz verbittert, dass sie keine oder fast keine Nobel-Preise erhalten und dagegen die Juden so viele.

    Alternativ könnte natürlich auch richtig sein, dass Frauen in Wissen- und Wirtschaft, zudem in einigen Denksportarten, ganz böse zusammenfassend: im kognitiven Bereich, nicht so superleistungsfähig sind.

    Der Leser darf gerne entscheiden: Das böse unterdrückerische Patriarchat oder grundsätzliche [1] Leistungsschwäche.

    MFG
    WB

    [1] “grundsätzlich”, d.h. es gibt Ausnahmen (so wirds gleich verständlicher, gell)

  4. #4 Jörg
    03/09/2010

    @Webbär: Ich wüsste nicht, wie wir ohne deinen wertvollen Kommentare hier zurecht kommen würden. Und doch habe ich beschlossen, das ab sofort mal zu versuchen. Gibt ja noch genug andere Blogs zum vollschwafeln.

  5. #5 student
    03/09/2010

    eine der sachen, die mich bisher beim Physikstudium am meisten gestört haben, war, dass in der Einführung in die Teilchenphysik von ihr grundsätzlich nur als “Madame Wu” gesprochen wurde…

  6. #6 Ludmila
    03/10/2010

    Die These, dass Frauen angeblich fehlende Technik- und Naturwissenschaftareale im Gehirn haben, wird ja immer wieder aufgeworfen. Da finde ich dann solche interessanten Ergebnisse sehr erhellend: http://www.stanford.edu/group/gender/cgi-bin/wordpressblog/2010/02/malaysian-women-redefine-gender-roles-in-technology/

    Offenbar sind die Frauen in Malaysia Wesen von einem anderen Stern. Oder die sind alle ganz, ganz viele Ausnahmen. Nur halt eben dort zusammengedrängt.

  7. #7 Jörg
    03/11/2010

    Ne die Wesen von einem anderen Stern sind die Männer die etwas von oben herab erzählen dass Frauen etwas fehlen würde. Wenn ich sehe, wieviel Image und “Männlichkeit” hier ausmacht in z.B. Ingenieursberufen, wundert mich nicht dass Frauen da schwer reinkommen oder es gar nicht erst versuchen. Schade, das ist ein Riesenverlust, und Länder die es schaffen Frauen in technische und wissenschaftliche Berufe zu bringen haben einen entscheidenden Vorteil. Soweit ich weiß, ist in Spanien der Frauenanteil in technischen Studiengängen auch viel höher.

  8. #8 Astrotux
    03/11/2010

    @ Jörg den Webbaeren betreffend: DANKE für das Entsorgen dieses verbalen Sondermülls.

  9. #9 Waldi
    08/02/2013

    Eine Symmetriebrechung fand nie statt

    Die Aussage “Wir leben in einem Universum aus Materie” ist falsch. Tatsächlich leben wir in einem Urknall-Universum, dessen äußere Erscheinung der Teilchen von Materie gekennzeichnet ist. Die Gegenmaterie befindet sich innerhalb dieser äußeren Erscheinungsform (auf untergeordneten Ebenen). Deshalb hat sich auch nie eine Symmetriebrechung ereignet, aufgrund der die Antimaterie verschwunden sein soll.

    Die Behauptung der Wissenschaftler, es habe unmittelbar nach dem Urknall ein Massaker zwischen Materie und Antimaterie gegeben, ist richtig. Aber diese gegenseitige Auslöschung von Materie und Gegenmaterie (zurück in Strahlungsenergie) hat sich ganz anders abgespielt als angenommen.

    Die These der Physiker, dass nach der Annihilierung ein winziger Teil an Materie übrig geblieben sei, aus der sämtliche Galaxien bestehen, ist falsch. Dies würde sofort die Frage aufwerfen, wie denn dieser Überschuss an Materie jemals wieder in Strahlung übergehen soll, wenn die entsprechende Gegenmaterie wirklich fehlen würde.

    Bis zum heutigen Tag ist kein einziges Mal diese Symmetriebrechung beobachtet worden. Ganz im Gegensatz dazu hat man festgestellt, dass aus Strahlungsenergie ausnahmslos Materie und dazugehörige Antimaterie in gleichen Mengen entstehen. Materie und Antimaterie sind auch nicht immer im Begriff, sich gegenseitig auszulöschen, wenn die Teilchen oder Gegenteilchen weiterverwendet werden (z. B. bei der Bildung eines Neutrons).

    Einerseits sind mit dem Urknall Materieteilchen (als unterste Ebene) und Gebilde mit Materie als äußerer Erscheinungsform entstanden. Andererseits bildeten sich Antimaterieteilchen (als unterste Ebene) und Gebilde mit Antimaterie als äußerer Erscheinungsform, die jedoch im anschließenden Gemetzel den Kürzeren gezogen haben. Da sich mehr Gebilde mit Materie als äußerer Erscheinung formten als ‘Gegen-Gebilde’, wurde jene Welt geschaffen, die wir heute wahrnehmen – ohne irgendeine Symmetriebrechung oder angeblichen Überschuss von Materie.

    Eine genaue Auflistung, wo sich die Antimaterie befindet und was nach dem Urknall geschehen ist, ist bei Bedarf möglich.

  10. #10 Waldi
    08/02/2013

    Eine Paritätsverletzung hat nie stattgefunden

    Der Ursprung allen Übels ist die Aussage, ein Teilchen könne sich in ein anderes Teilchen umwandeln. So wird behauptet, ein Proton wandelt sich in ein Neutron um (und umgekehrt). Solche Umwandlungen gibt es nicht! Denn ein Neutron ist nichts anderes als ein Proton inklusive Elektron und Elektron-Antineutrino (plus Energie der Gluonen …).

    n = p+ + e- + e-a-n (+ E)

    Ein Proton plus Energie ergibt ein Neutron inklusive Antielektron und Elektron-Neutrino.

    p+ + E = n + e+ + e-n

    Man könnte jetzt fragen: Woher kommt das Antielektron? Es wird hier übersehen, dass das Neutron aus einem Proton, einem Elektron und einem Elektron-Antineutrino besteht. Das bedeutet, dass aus der Energie E zu gleichen Teilen Materie und Antimaterie entstanden ist – nämlich ein Elektron und ein Antielektron sowie ein Elektron-Neutrino und ein Elektron-Antineutrino.

    E = e- + e+ + e-n + e-a-n

    Diese Bestandteile der Energie E in die vorherige Gleichung eingesetzt, erklären nun, woher das Antielektron und das Elektron-Neutrino stammen (die an die Umwelt abgegeben werden).

    Außerdem muss man sich fragen: Da diese Materie- und Antimaterieteilchen aus Strahlungsenergie entstanden sind, in welcher Verbindung stehen diese Teilchen zum Higgs-Teilchen? Dass mit der Theorie der Higgs-Teilchen, welche allen Teilchen die Masse verleihen sollen, etwas nicht stimmt, wird nun umso mehr einleuchten. Welches Boson man beim CERN auch entdeckt hat, es hat nichts mit einem Teilchen zu tun, das die Masse verleiht.

    Zurück zum eigentlichen Problem: Diesen Übergang von einem Neutron in ein Proton (und umgekehrt) könnte man noch als eine Art ‘Umwandlung’ akzeptieren. Die Gefahr dabei ist: Wenn das Wort ‘Umwandlung’ einmal in den Köpfen der Wissenschaftler ist, werden sie es bei nächstbester Gelegenheit wieder verwenden. Und genau das ist bei einem weiteren ‘unerklärlichen’ Phänomen passiert.

    Weil es diese Personen nicht besser wissen, berichten sie von einer teilweisen bis maximalen Verletzung der Parität, wobei sich ein Elektron in ein Elektron-Neutrino (und umgekehrt) umgewandelt haben soll. Übertragen in die Biologie hieße dies: Ein Elefant hat sich in eine Maus umgewandelt (und umgekehrt). Im Vergleich zum Elektron-Neutrino ist ein Elektron gigantisch groß. Wie soll aus einem massemäßig winzigen Elektron-Neutrino ein massemäßig riesiges Elektron werden? So etwas ist unmöglich! Dennoch wird am Standardmodell mit seinen Fehlern festgehalten. Tatsächlich wird aus Strahlungsenergie E wiederum zu gleichen Teilen Materie und Antimaterie entstanden sein – nämlich ein Elektron und ein Antielektron sowie ein Elektron-Neutrino und ein Elektron-Antineutrino: E = e- + e+ + e-n + e-a-n

    Ein bestehendes (= ursprüngliches) Elektron e- wird sich mit dem Antielektron e+ (aus der Energie E) ausgelöscht haben, wobei das Elektron-Neutrino e-n (aus E) in die gleiche Richtung (des ursprünglichen Elektrons e-) weitergeflogen ist. Ein bestehendes Elektron-Neutrino e-n wird sich mit dem Elektron-Antineutrino e-a-n (aus E) ausgelöscht haben, wobei das Elektron e- (aus E) in die gleiche Richtung (des ursprünglichen Elektron-Neutrinos e-n) weitergeflogen ist.

    e- + e+ + e-n + e-n + e-a-n + e- = e-n + e-

    Daraus ist erkennbar, dass keine Paritätsverletzung stattgefunden hat. Bei einem anderen Beispiel wird berichtet, “ein u-Quark hätte sich in ein d-Quark umgewandelt” (siehe z. B. Wikipedia ‘Elektroschwache Wechselwirkung’ unter ‘Die Z- und W-Bosonen’). Bei diesem u-Quark muss es sich um ein Up-Antiquark u- handeln, wobei sich schließlich ein Down-Antiquark d+ ergeben hat. Und aus einem Elektron-Neutrino e-n soll sich angeblich ein Elektron e- gebildet haben.

    u- + e-n = d+ + e-

    Tatsächlich wird aus Strahlungsenergie E abermals ein Elektron und ein Antielektron sowie ein Elektron-Neutrino und ein Elektron-Antineutrino entstanden sein.

    E = e- + e+ + e-n + e-a-n

    Das Up-Antiquark u- wird mit dem Antielektron e+ (aus E) und dem Elektron-Neutrino e-n (aus E) einerseits jenes Down-Antiquark d+ gebildet haben. Andererseits wird sich das Elektron-Neutrino e-n mit dem Elektron-Antineutrino e-a-n (aus E) ausgelöscht haben, während das Elektron e- (aus E) in Richtung des ursprünglichen Elektron-Neutrinos e-n weitergeflogen ist.

    u- + e+ + e-n + e-n + e-a-n + e- = d+ + e-

    [wobei u- + e+ + e-n = d+]

    Mit Paritätsverletzung oder mit einer Umwandlung (eines Teilchens in ein anderes) hat das nichts zu tun, wenn man die Vorgänge kennt. (Dies würde der Bohmschen Mechanik der Quantentheorie entsprechen, nach der man von den Vorgängen auf subatomarer Ebene vieles nicht mitbekommt.)