パリティ対称性の破れ

パリティ対称性の破れ

パリティ対称性の破れ（Parity violation）とは、空間反転した際に物理法則が変わる現象を指します。特に、これは弱い相互作用に関連して発生します。通常、物理現象は空間を反転させても変化しないことが期待されていますが、弱い相互作用においてはこの対称性が破れます。これを「P対称性の破れ」とも呼び、パリティ非保存とも言われています。

背景

一般に、物理法則は空間の反転に対して対称です。例えば、テレビの映像において、その映像が鏡に映った時でも、何が起こっているかを解析する際に、変化は検知されません。したがって、空間反転しても法則が変わらないことは「パリティ対称」または「パリティの保存」と定義されます。

物理学における四つの基本的な相互作用、すなわち重力、電磁力、強い相互作用、そして弱い相互作用の中で、パリティ対称性の破れを観察できるのは弱い相互作用だけであり、他の三つの相互作用ではパリティが常に保存されます。一般の人間の経験から考えると、重力や電磁相互作用が最も身近であり、そのため長い間、物理学者たちはパリティ対称性が常に維持されると信じていました。

ヤンとリーの予想

1956年、楊振寧（Chen Ning Yang）と李政道（Tsung-Dao Lee）は、K中間子の崩壊に関する未解決の現象に目を向けました。彼らは、弱い相互作用が関連する物理現象では、パリティの対称性が破れるという予想を立てました。この予測は、翌年の1957年に、実験家の呉健雄（Wu Chien-Shiung）によるベータ崩壊の観測を通じて確認されます。ヤンとリーのこの発見は画期的なものであり、彼らはこの功績により1957年にノーベル物理学賞を受賞しました。

ウーによる検証

呉は、放射性核種であるコバルト60を極低温に冷却し、その状態で磁場をかけて多数の原子のスピンを揃えました。その後、コバルト60がベータ崩壊を起こして放出されるベータ粒子の放出方向を調べました。この実験では、二つのパリティが保存される場合のベータ崩壊の確率を比較しました。一方の崩壊がコバルト60のスピンの方向と同じである場合、もう一方は反対側になります。

実験の結果、コバルト60のスピンと逆方向に向かうベータ粒子が多く放出されることが判明しました。このことは、パリティ対称性が破れていることを示しています。

まとめ

パリティ対称性の破れは、物理学における重要な発見であり、弱い相互作用がもたらす特異な性質を理解する上で不可欠です。この現象は、基礎物理学に新たな視点をもたらし、物質の根本的な性質を探求する手助けとなっています。

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