Leon Lederman: An diesem Wochenende habe ich herausgefunden, wie man die Parität durchbricht.

Am 4. Januar 1957 erfuhr Lederman bei einem traditionellen chinesischen Mittagessen im Physik-Department der Columbia University von Tsung-Dao Lee, dass das von Chien-Shiung Wu durchgeführte Paritätsexperiment erste Ergebnisse lieferte. Er wollte mit einer anderen Methode überprüfen, ob die Parität erhalten bleibt: durch Beobachtung des Zerfalls rotierender Teilchen wie Pionen und Myonen. Dies war eine der experimentellen Ideen, die Tsung-Dao Lee und Chen-Ning Yang in ihrer Arbeit von 1956 vorgeschlagen hatten. An diesem Abend konzipierte Lederman ein Experiment, das im Erfolgsfall eine „enorme Wirkung“ haben würde. In dem Buch „Das Gottesteilchen: Wenn das Universum die Antwort ist, was ist dann die Frage?“ geht Lederman ausführlich auf diese Erfahrung ein. Das Ende der Geschichte ist, dass Lederman und seine Kollegen innerhalb von vier Tagen „Gottes Zerstörung“ miterlebten und auf Wu Jianxiongs Testergebnisse warteten, bevor sie die Arbeit gemeinsam veröffentlichten. In diesem Artikel wird lediglich beschrieben, wie Lederman auf die Idee kam, eine Reihe von Wundern im Experiment während der Fahrt Wirklichkeit werden zu lassen.

Dieser Artikel darf als Auszug aus dem Abschnitt „Zwischenspiel C: Wie wir an einem Wochenende die Parität zerstörten und Gott entdeckten“ in „Das Gottesteilchen: Eine interessante Geschichte der Teilchenphysik, geschrieben von einem Nobelpreisträger für alle“ (Sichuan Science and Technology Press, 2022.6) verwendet werden. Es wurde bearbeitet und der Titel vom Herausgeber hinzugefügt.

Von Leon M. Lederman und Dick Teresi

Übersetzungen: Mi Xujun, Gu Hongwei, Zhao Jianhui, Chen Hongwei

Korrektor | Yin Chuanhong

Ich kann nicht glauben, dass Gott ein schwacher Linkshänder ist.

——Pauli

Der Prüfstein wissenschaftlicher Objektivität besteht darin, nicht zuzulassen, dass der Enthusiasmus die Methodik und den selbstkritischen Geist beeinträchtigt.

—Leon Lederman

Shanghai Restaurant

Es ist schon wieder Freitag. Die Zeit ist auf 12 Uhr mittags am 4. Januar 1957 eingestellt. Freitag ist der traditionelle chinesische Mittagstag für Lehrkräfte und Mitarbeiter der Fakultät für Physik der Columbia University. Eine Gruppe von 10 bis 15 Physikern versammelte sich zunächst vor dem Büro von Professor Tsung-Dao Lee und ging dann gemeinsam vom Puping Physics Building in der 120. Straße zum Shanghai Restaurant an der Kreuzung der 125. Straße und des Broadway am Fuße des Berges. Die Mittagessentreffen begannen im Jahr 1953, als Tsung-Dao Lee kurz nach seiner Promotion von der University of Chicago an die Columbia University kam. Zu diesem Zeitpunkt hatte er sich bereits einen sehr guten Ruf als theoretischer Superstar erworben.

Beim Mittagessen am Freitag herrschte reges Treiben: Die Leute unterhielten sich zu zweit und zu dritt, genossen Wintermelonensuppe und probierten Drachen- und Phönixgerichte, Garnelenbällchen, Seegurken oder andere würzige nordchinesische Gerichte. Im Jahr 1957 waren diese Gerichte nicht sehr beliebt. Auf dem Weg dorthin erfuhren wir bereits vom Thema der Mitteilung an diesem Freitag, nämlich der Parität, und den neuesten Nachrichten unseres Kollegen Chien-Shiung Wu von der Columbia University, der damals ein Experiment am National Bureau of Standards in Washington leitete.

Bevor beim Mittagessen ernsthafte Themen besprochen wurden, notierte Lee Tsung-Dao seine Bestellung auf einem kleinen Notizblock, den ihm ein respektvoller Kellner im Restaurant reichte – eine Aufgabe, die er jede Woche erledigen musste, wenn er zum Essen kam. Tsung-Dao Lee bestellt Essen mit Stil, es ist wirklich eine Kunst. Er warf einen Blick auf die Speisekarte und den Notizblock, stellte dem Kellner eine Frage auf Chinesisch, runzelte dann die Stirn, nahm den Stift und schrieb ein paar Zeichen auf das Papier. Dann gab es ein weiteres Problem mit einer kleinen Änderung an einem Symbol. Er blickte auf die Zinnreliefdecke, um göttliche Führung zu erhalten, und stieß dann mit einem einzigen Schlag auf Gold. Als er das letzte Mal darauf blickte, ruhten beide Hände auf dem Notizblock: eine Hand mit ausgestreckten fünf Fingern, um allen den Segen des Papstes zu übermitteln, und in der anderen Hand hielt er einen Bleistift. Es ist alles hier? Die perfekte Mischung aus Yin und Yang und Farbe, Duft und Geschmack? Nachdem er dem Kellner Notizblock und Stift gegeben hatte, beteiligte sich Tsung-Dao Lee an der Unterhaltung.

„Frau Wu rief mich an und sagte mir, dass ihre vorläufigen Daten eine erstaunliche Wirkung zeigten!“ sagte er aufgeregt.

Kehren wir in das Labor mit einem Spiegel an einer Wand zurück (die reale, von Gott geschaffene Welt). Unsere allgemeine Erfahrung ist, dass, egal was wir vor den Spiegel halten, egal welche Experimente wir im Labor durchführen – Streuung, Teilchenerzeugung, Schwerkraftexperimente wie die von Galileo usw. – alles im Spiegellabor denselben Naturgesetzen unterliegt, die auch in der realen Welt gelten. Schauen wir uns zunächst an, wie sich Verletzungen der Paritätserhaltung äußern. Um den einfachsten objektiven Test der Chiralität durchzuführen, nehmen Sie einen Bewohner des Planeten Twilo und bitten Sie ihn, eine rechtsgängige Schraube zu verwenden. Nun wendet er sich dem Ende zu, an dem das Loch gemacht wurde, und dreht die Schraube im Uhrzeigersinn. Wenn die Schraube in ein Stück Holz gebohrt wird, spricht man von einer Rechtsschraube. Offenbar zeigte der Spiegel eine linksdrehende Schraube, denn der im Spiegel lebende „Twilo“ drehte die Schraube gegen den Uhrzeigersinn und die Schraube ging hinein. Okay, nehmen wir jetzt an, wir leben in einer unglaublichen Welt (wie dem Fantasieplaneten in Star Trek). Die Verwendung einer Linksschraube ist hier nicht möglich, da dies den physikalischen Gesetzen völlig widerspricht. Auf diese Weise wird die Spiegelsymmetrie zerstört; das Spiegelbild der rechtshändigen Schraube existiert nicht und die Paritätserhaltung wird verletzt.

Dies ist der Auftakt. Lee und sein Kollege Chen-Ning Yang vom Institute for Advanced Study in Princeton schlugen vor, die Gültigkeit der physikalischen Gesetze bei schwachen Wechselwirkungen zu testen. Wir benötigen das Äquivalent rechtshändiger (oder linkshändiger) Teilchen. Wie bei einer Maschinenschraube müssen wir Drehung und Bewegungsrichtung kombinieren. Betrachten wir ein rotierendes Teilchen, das Myon, und stellen wir es uns als einen Zylinder vor, der sich um seine eigene Mittelachse dreht. Dann entsteht eine Rotation. Da die beiden Enden des Myonenzylinders identisch sind, können wir nicht sagen, ob er sich im oder gegen den Uhrzeigersinn dreht. Um dies zu verstehen, stellen Sie es zwischen sich und einen Ihrer Lieblingsgegner. Während Sie schwören, dass es sich nach rechts (im Uhrzeigersinn) dreht, besteht er darauf, dass es sich nach links dreht. Es lässt sich nicht darüber streiten, wer Recht und wer Unrecht hat. Dies ist ein Fall der Paritätserhaltung.

Die Genialität von Li und Yang bestand darin, die schwache Wechselwirkung (die sie testen wollten) durch die Beobachtung des Zerfalls von Spinteilchen einzuführen. Ein Zerfallsprodukt des Myons ist das Elektron. Nehmen wir an, die Natur hat es so vorgesehen, dass die Elektronen nur aus einem Ende des Zylinders austreten. Dies gibt eine Richtung vor; darüber hinaus können wir auch das Konzept des Spins definieren – im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn –, da ein Ende definiert ist (die Richtung, aus der das Elektron kam). Dieses Ende dient als Schraubenspitze. Wenn der Spin des Myons im Verhältnis zum Elektron, von dem es gerade zerfallen ist, nach rechts (im Uhrzeigersinn) zeigt, wie die Drehung einer Maschinenschraube im Verhältnis zur Nagelspitze, dann haben wir ein rechtshändiges Myon definiert. Wenn diese Teilchen nun per Definition immer rechtshändig zerfallen, dann haben wir auch einen Teilchenprozess, der die Spiegelsymmetrie verletzt. Dies sehen wir, wenn die Spinachse des Myons parallel zum Spiegel ist. Das Bild im Spiegel ist ein linkshändiges Myon – aber es existiert nicht (wie unten gezeigt).

Spiegelexperiment und Paritätserhaltung

Obwohl sich die Nachricht über Wu Chien-Shiungs Situation um die Weihnachtsfeiertage herum verbreitet hatte, fand am Freitag nach Neujahr die erste Versammlung der Physikabteilung nach den Feiertagen statt. Im Jahr 1957 war Chien-Shiung Wu, wie ich, Professorin für Physik an der Columbia University. Sie war eine versierte Experimentalwissenschaftlerin. Ihr Forschungsschwerpunkt liegt im radioaktiven Zerfall von Atomkernen. Sie ist äußerst energisch und stellt sehr hohe Ansprüche an ihre Studenten und Postdoktoranden. Sie ging auch bei der Analyse experimenteller Ergebnisse sehr sorgfältig und ernsthaft vor und die von ihr veröffentlichten experimentellen Daten wurden weithin für ihre hohe Genauigkeit gelobt.

Als Tsung-Dao Lee und Chen-Ning Yang im Sommer 1956 die Richtigkeit des Paritätserhaltungssatzes in Frage stellten, machte sich Chien-Shiung Wu fast sofort daran, ihn zu überprüfen. Als Versuchsobjekt wählte sie den Kern des instabilen radioaktiven Atoms Kobalt-60. Der Kern von Kobalt-60 zerfällt spontan in einen Nickelkern, ein Neutrino und ein positiv geladenes Elektron (Positron). Was wir „sehen“ können, ist die plötzliche Emission eines Positrons aus dem Kobaltkern. Diese Form der Strahlung wird als Betazerfall bezeichnet, da die dabei emittierten Elektronen, egal ob positiv oder negativ, zunächst als Betateilchen bezeichnet werden. Warum tritt dieses Phänomen auf? Physiker nennen dies die schwache Wechselwirkung und glauben, dass in der Natur eine Kraft wirkt, die diese Reaktion hervorrufen kann. Kräfte bestehen nicht nur aus Drücken und Ziehen, Anziehung und Abstoßung, sondern können auch Veränderungen in der Materieart bewirken, wie zum Beispiel der Prozess, bei dem sich Kobalt in Nickel verwandelt und Leptonen ausstrahlt. Seit den 1930er Jahren wird eine große Zahl von Reaktionen auf schwache Wechselwirkungen zurückgeführt. Der große italienisch-amerikanische Wissenschaftler Fermi war der erste, der der schwachen Wechselwirkung eine mathematische Form gab, die es ihm ermöglichte, viele Details von Reaktionen wie der in Kobalt-60 auftretenden vorherzusagen.

In ihrer Abhandlung „Fragen zur Erhaltung der Parität in der schwachen Wechselwirkung“ aus dem Jahr 1956 wählten Tsung-Dao Lee und Chen-Ning Yang eine Reihe von Reaktionen aus und untersuchten Experimente auf Hinweise, dass Parität – und Spiegelsymmetrie – nicht durch die schwache Wechselwirkung unterstützt wurden. Sie interessierten sich für die Richtung der von rotierenden Kernen emittierten Elektronen. Wenn die Elektronen eine Richtung der anderen vorziehen, ist das, als würde man dem Kobaltkern ein Hemd mit Knöpfen überziehen. Auf diese Weise können wir erkennen, welches das echte Experiment und welches das Spiegelbild ist.

Was unterscheidet gewöhnliche wissenschaftliche Arbeit von großartigen Ideen? Ähnliche Fragen können zu einem Gedicht, einem Gemälde oder einem Musikstück gestellt werden – ja, sogar juristische Schriftsätze können sich erheblich voneinander unterscheiden. Das endgültige Urteil über ein Kunstwerk fällt die Zeit. In der Wissenschaft wird durch Experimente festgestellt, ob eine Idee oder ein Konzept richtig oder falsch ist. Handelt es sich um eine brillante Idee, eröffnet sie häufig ein neues Forschungsfeld, wirft zahlreiche neue Probleme auf und löst viele alte Probleme.

Li Zhengdao hat einen akribischen Verstand. Ob er nun das Essen zum Mittagessen bestellt, altes chinesisches Porzellan kommentiert oder die Fähigkeiten eines Schülers beurteilt, seine Ansichten sind scharf und klar, genau wie die eines Meisterhandwerkers, ohne jeden Fehler. In dem Aufsatz über Parität von Tsung-Dao Lee und Chen-Ning Yang (ich kenne Yang nicht sehr gut) enthält dieser wertvolle Gedanke viele scharfsinnige Standpunkte. Sie verließen sich auf den Antrieb des chinesischen Volkes, ein Naturgesetz in Frage zu stellen, das einst als unumstößlich galt. Lee und Yang erkannten, dass diese enorme Datenmenge, die zum „perfekt konstruierten“ Paritätsgesetz geführt hatte, nichts mit dem natürlichen Phänomen zu tun hatte, das den radioaktiven Zerfall verursacht, nämlich der schwachen Wechselwirkung. Dies ist eine weitere brillante und scharfsinnige Idee: Sie macht uns zum ersten Mal verständlich, dass für unterschiedliche Kräfte in der Natur unterschiedliche Erhaltungssätze gelten können.

Tsung-Dao Lee und Chen-Ning Yang krempelten die Ärmel hoch und zogen in die Schlacht, der Schweiß tropfte ihnen über die Wangen und sie waren voller Inspiration. Sie untersuchten eine große Zahl radioaktiver Zerfallsreaktionen, die vielversprechende Tests der Spiegelsymmetrie darstellten. In der Arbeit analysierten sie außerdem die möglichen Reaktionen sehr detailliert, sodass die Experimentatoren in Ruhe testen konnten, ob die Spiegelsymmetrie gültig war. Wu Jianxiong entwarf eines der Experimente und verwendete dabei eine Kobaltreaktion. Der Schlüssel zu ihrem Ansatz besteht darin, sicherzustellen, dass sich auch ein kleiner Teil der Kobaltkerne auf die gleiche Weise dreht. Wu Jianxiong schlug vor: Um dies zu gewährleisten, kann die Kobalt-60-Quelle bei extrem niedrigen Temperaturen betrieben werden. Ihre Experimente sind äußerst heikel und erfordern kryogene Ausrüstung, die schwer zu finden ist. Zu diesem Zweck wandte sie sich an das National Bureau of Standards, das über eine sehr fortschrittliche Technologie zur Spinregulierung verfügte.

Das vorletzte Gericht beim Bankett an diesem Freitag war ein großer Karpfen, geschmort in schwarzer Bohnen-Sojasauce mit Frühlingszwiebeln und Lauch. Während er dieses Gericht servierte, betonte Tsung-Dao Lee wiederholt diese Kernbotschaft: „Der von Chien-Shiung Wu entdeckte Effekt war sehr signifikant, mehr als zehnmal so stark wie wir erwartet hatten.“ Obwohl die Daten noch nicht vorliegen und vorläufig und sehr provisorisch sind (Lee Tsung-Dao hat einen Fischkopf für mich aufgehoben, er wusste, dass er mir gefiel), ist es wichtig zu wissen, ob der Effekt tatsächlich sehr signifikant ist, wie wir erwarten, wenn das Neutrino aus zwei Komponenten besteht … Ich war beim Zuhören abgelenkt und weiß nicht, was er als Nächstes sagte, weil mir allmählich eine neue Idee in den Sinn kam.

Große Wirkung

Nach dem Mittagessen gab es ein spezielles Seminar, einige reguläre Abteilungssitzungen, eine gesellige Teeparty und eine akademische Diskussion. Ich war durch all diese Aktivitäten abgelenkt und dachte immer, dass Wu Jianxiong einen „großen Effekt“ beobachtete. Lees Vortrag in Brookhaven im August erinnerte mich an die Idee, dass die Parität verloren geht, wenn Pionen und Myonen zerfallen. Wir haben es eine Weile ignoriert.

Riesige Wirkung? Im August hatte ich einen flüchtigen Blick auf die π-μ-Zerfallskette geworfen und festgestellt, dass ein sinnvolles Experiment so angelegt sein sollte, dass es in zwei aufeinanderfolgenden Reaktionen zu einer Paritätsverletzung kommt. Ich musste immer wieder an die Berechnungen zurückdenken, die wir im August gemacht haben. Wenn der Effekt jedoch signifikant ist ...

Gegen 18 Uhr fuhr ich zum Abendessen nach Norden zu meinem Haus in Dobbs Ferry. Dann, in dieser ruhigen Nacht, ging ich zum Nevis Laboratory in Irvington-on-Hudson, um die Nachfolge meines Doktoranden anzutreten. Der 400-MeV-Beschleuniger im Nevis Laboratory war das Arbeitspferd für die Erzeugung und Untersuchung von Myonen, die in den 1950er Jahren relativ neue Teilchen waren. In jenen glücklichen Tagen gab es nur wenige Arten von Mesonen, die es wert waren, sich damit zu beschäftigen, und Nevis konzentrierte sich auf die Pionen und Myonen.

Im Nevis Laboratory verfügen wir über einen sehr intensiven Pionenstrom, der von einem Ziel ausgeht, das mit Protonen bombardiert wird. Pi-Mesonen sind nicht stabil. Sie fliegen aus dem Ziel heraus, entkommen dem Beschleuniger, durchqueren die Abschirmwand und gelangen anschließend in die Versuchshalle. Während dieser Zeit unterliegen etwa 20 % der Teilchen einem schwachen Zerfall und verwandeln sich in ein Myon und ein Neutrino.

π→μ+ν (während des Fluges)

Myonen fliegen normalerweise in die gleiche Richtung wie Pionen. Wenn das Paritätsgesetz aufgehoben wird, ist die Anzahl der Myonen, deren Spinachsen in die gleiche Richtung wie ihre Bewegung verlaufen, größer als die Anzahl der Myonen, deren Spinachsen in die entgegengesetzte Richtung ihres Fluges verlaufen. Wenn der Effekt gewaltig ist, könnte uns die Natur ein Beispiel dafür liefern, dass sich alle Teilchen auf die gleiche Weise drehen. Dies geschah, als Chien-Shiung Wu das Kobalt-60 in einem Magnetfeld mit extrem niedriger Temperatur einfror. Der Schlüssel liegt darin, ein Myon mit bekannter Spinachse zu beobachten, das in ein Elektron und einige Neutrinos zerfällt.

Inspiration entsteht auf dem Weg

Am Freitagabend fuhren wir vom Sawmill River Parkway nach Norden. Auf der Straße herrschte viel Verkehr und wir konnten am Wegesrand vage wunderschöne, mit Wäldern bedeckte Hügel erkennen. Die Straße schlängelt sich entlang des Hudson River, führt durch Riverdale und Yonkers und weiter nach Norden. Unterwegs dachte ich über die möglichen „großen Auswirkungen“ nach und hatte von Zeit zu Zeit das Gefühl einer plötzlichen Erleuchtung.

Bei rotierender Materie tritt dieser Effekt auf, wenn beim Teilchenzerfall eine beliebige Richtung der Spinachse dominiert. Ein weniger offensichtlicher Effekt könnte sein, dass bezogen auf die Ausrichtung der Spinachse in die eine Richtung 1030 Elektronen und in die andere 970 Elektronen ausgestoßen werden, was es schwierig macht, Schlussfolgerungen zu ziehen. Einen enormen Effekt hätte jedoch ein Verhältnis von 1500:500, das würde die Situation wesentlich einfacher machen. Dieser glückliche Rieseneffekt wird auch dazu beitragen, die Spins der Myonen anzuordnen. Um dieses Experiment durchzuführen, benötigen wir einen Fall, in dem sich alle Myonen in eine Richtung drehen. Da die Teilchen vom Zyklotron zu unserem Gerät gelangen müssen, kann die Bewegungsrichtung des Myons als Referenz für den Spin des Myons verwendet werden. Wir benötigen die meisten Myonen als rechtshändig (oder alle linkshändig, das spielt keine Rolle) und stellen uns nun die Bewegungsrichtung als „Daumen“ vor. Das Myon fliegt heraus, durchquert mehrere Zähler und kommt schließlich in einem Kohlenstoffblock zum Stillstand. Anschließend zählen wir, wie viele Elektronen in Bewegungsrichtung des Myons und wie viele in der entgegengesetzten Richtung erscheinen. Ein großer Unterschied in den Zahlen wäre ein Hinweis auf eine Paritätsverletzung. Dann werden wir berühmt und haben viel Glück!

Plötzlich störte eine Idee diesen gewöhnlichen, friedlichen und ruhigen Freitagabend. Ich dachte, wir könnten dieses Experiment problemlos durchführen. Mein Doktorand Marcel Weinrich hat ein Experiment mit Myonen durchgeführt. Um diesen gewaltigen Effekt zu erkennen, könnte sein Versuchsaufbau leicht modifiziert werden. An dieser Stelle habe ich die Methode zur Erzeugung von Myonen mit dem Beschleuniger der Columbia University besprochen. Als Experte auf diesem Gebiet hatte ich vor vielen Jahren, als ich ein leichtsinniger Doktorand war und die Maschinen brandneu waren, mit Dinglot exotische Myon- und Pionenstrahlen entworfen.

Mir kam der gesamte Vorgang in den Sinn: ein Beschleuniger mit einem 4.000 Tonnen schweren Magneten und einem runden Pol mit einem Durchmesser von etwa 20 Fuß. Im Inneren des Beschleunigers befand sich eine riesige Edelstahlbox, aus der die Luft evakuiert worden war, die Vakuumkammer. Ein Protonenstrom wird durch winzige Röhrchen in die Mitte des Magneten injiziert. Unter einer sehr starken Hochfrequenzspannung schießen die Protonen wiederholt umher und bewegen sich spiralförmig vorwärts. Wenn das Teilchen das Ende seiner Spiralreise erreicht, hat es eine Energie von 400 MeV. Nahe dem Rand der Vakuumkammer, praktisch außerhalb der Reichweite unserer Magnete, wartet ein kleiner Stab mit einer Graphitplatte darauf, mit hochenergetischen Protonen bombardiert zu werden. Ihre hohe Spannung von 400 Millionen Volt reicht aus, um diese hochenergetischen Protonen bei der Kollision mit Kohlenstoffkernen auf dem Graphittarget zur Bildung neuer Teilchen – der Pionen – anzuregen.

In diesem Moment schien ich aufmerksam zu beobachten, wie Pionen durch den Aufprall von Protonen nach vorne geschleudert wurden. Sie werden zwischen den Polen der starken Magnete des Zyklotrons geboren, fliegen in einer sanften Kurve heraus und verschwinden außerhalb des Zyklotrons. Dort erschien dann das Myon und setzte die unvollendete Reise des Pions fort. Das schnell verschwindende Magnetfeld außerhalb des Polstücks schickte die Myonen durch einen Tunnel durch eine drei Meter dicke Betonschutzwand in die Versuchshalle, wo wir schon lange gewartet hatten.

Im Labor nimmt Marcel die Geräte in Betrieb. Die Myonen fallen langsam in einen 3 Zoll dicken Filter und werden dann zur vorübergehenden Speicherung in einen 1 Zoll dicken Materialblock geschickt, der verschiedene Elemente enthält. Die Myonen stoßen sanft mit Atomen im Material zusammen, verlieren Energie und werden, da sie eine negative Ladung besitzen, schließlich von positiv geladenen Atomkernen eingefangen. Da wir nicht wollen, dass die Spinrichtung des Myons beeinflusst wird und es zerstörerisch wäre, in der Umlaufbahn gefangen zu bleiben, verwenden wir positiv geladene Myonen. Was würde ein positiv geladenes Myon tun? Es kann sein, dass es sich dort einfach still dreht, bis es zerfällt. Das Material musste sorgfältig ausgewählt werden und Carbon schien hierfür die beste Wahl zu sein.

Als ich an einem Freitag im Januar Richtung Norden fuhr, kam mir ein wichtiger Gedanke. Wenn alle (oder fast alle) Myonen, die beim Zerfall eines Pions entstehen, irgendwie in der Lage wären, ihre Spins in die gleiche Richtung zu bringen, würde das bedeuten, dass die Pion-Myon-Reaktion die Paritätserhaltung verletzt, und zwar in schwerwiegender Weise. Eine enorme Wirkung! Nehmen wir nun an, dass die Spinachsen der Myonen parallel zur Bewegungsrichtung bleiben, während sie in einem eleganten Bogen aus der Maschine und durch den Tunnel fliegen (was tatsächlich der Fall ist, wenn der g-Faktor nahe 2 liegt). und nehmen wir weiter an, dass die unzähligen sanften Kollisionen zwischen den Myonen und Kohlenstoffatomen diese allmählich verlangsamen, ohne die Beziehung zwischen Spin und Bewegungsrichtung zu beeinflussen. Wenn das alles wirklich passiert wäre, wäre es so bizarr! Ich hätte einen Plan, der es den Myonen ermöglicht, zur Zwischenspeicherung in den Materialblock einzudringen und in die gleiche Richtung zu rotieren.

Es schien, als ob für ein erfolgreiches Experiment eine Reihe von Wundern erforderlich wären. Als Tsung-Dao Lee und Chen-Ning Yang im August ihre Arbeit veröffentlichten, in der sie auf kleine Effekte hinwiesen, waren wir angesichts der Notwendigkeit einer solchen Wunderserie tatsächlich entmutigt. Ein einzelner kleiner Effekt kann mit Geduld bewältigt werden, aber zwei aufeinanderfolgende kleine Effekte – sagen wir ein Prozent von einem Prozent – ​​machen das Experiment aussichtslos. Warum zwei aufeinanderfolgende kleine Effekte? Erinnern Sie sich, dass die Natur Pionen bereitstellen musste, die in Myonen mit ungefähr identischer Spinrichtung zerfallen (Wunder Eins). Myonen mussten außerdem in Elektronen zerfallen, deren Spinachsen in Bezug auf die Myonen deutlich asymmetrisch waren (Wunder zwei).

Ich war sehr aufgeregt, als ich an der Mautstation Yonkers vorbeikam (die 1957 5 Cent kostete). Ich bin mir ziemlich sicher, dass die Myonen polarisiert sind (die Spinachsen zeigen in die gleiche Richtung), wenn eine Paritätsverletzung vorliegt. Ich habe auch die magnetischen Eigenschaften des Myonenspins herausgefunden. Dies liegt daran, dass das Magnetfeld die Spinrichtung in die Bewegungsrichtung des Teilchens „dreht“. Was mit den Myonen passiert, wenn sie in den energieabsorbierenden Graphit eintreten, weiß ich nicht genau. Wenn ich falsch liege, sind die Drehachsen der Myonen überall verstreut. Wäre dies der Fall, wäre es unmöglich, die Strahlung des Elektrons relativ zu seiner Spinachse zu beobachten.

Lassen Sie uns das noch einmal durchgehen. Ein Teil des Wunders besteht darin, dass beim Zerfall der Pionen Myonen entstehen, deren Spins mit der Richtung ihrer Bewegung übereinstimmen. Nun sollte ich die Myonen stoppen, um die Richtung der beim Zerfall emittierten Elektronen beobachten zu können. Da wir die Richtung kennen, in die sie sich bewegten, bevor sie auf den Kohlenstoffblock aufschlugen, können wir die Richtung ihrer Drehung herausfinden, wenn sie zum Stillstand kommen und zerfallen, vorausgesetzt, es gibt nichts, was sie in Drehung hält. Jetzt müssen wir nur noch unseren Elektronendetektionsarm um den Kohlenstoffblock bewegen, wo die Myonen darauf warten, auf Spiegelsymmetrie geprüft zu werden.

Meine Handflächen begannen zu schwitzen, als ich überlegte, was ich tun sollte. Die Zähler sind alle da. Die Elektronik, die uns anzeigt, wann die hochenergetischen Myonen ankommen und langsam in den Graphitblock eindringen, ist nun installiert und hat die Tests bestanden, ebenso wie das aus vier Zählern bestehende „Teleskop“, das die durch den Zerfall der Myonen erzeugten Elektronen erkennt. Was wir tun müssen, ist, diese Dinge auf eine bestimmte Art und Weise auf einer Platte zu befestigen und sie dann um die Mitte des Graphitblocks herum zu installieren. Nur ein oder zwei Stunden Arbeit. Oh! Aber ich habe das Gefühl, dass uns noch eine schlaflose Nacht bevorsteht!

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