우 실험

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1. 개요
2. 역사
3. 이론
- 3.1. 반전성과 반전성 대칭
- 3.2. 약한 상호작용과 반전성 비보존
4. 실험
5. 메커니즘 설명
6. 실험이 학계에 준 영향
- 6.1. 표준 모형 정립
- 6.2. 우주론 및 입자물리학 연구에 미친 영향
참조

1. 개요

우 실험은 1957년, 유진 위그너가 제안한 반전성 보존 법칙이 약한 상호작용에서는 성립하지 않음을 보인 실험이다. 케이온 붕괴 현상에서 반전성 보존 법칙의 의문이 제기되자, 리정다오와 양전닝은 약한 상호작용에서 반전성 보존이 실험적으로 검증되지 않았음을 확인하고 우젠슝에게 베타 붕괴 실험을 제안했다. 우젠슝은 코발트-60의 붕괴를 통해 약한 상호작용에서 반전성이 위반됨을 확인했으며, 이 실험은 표준 모형의 개발에 기여했다.

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우 실험
실험 개요
명칭	우 실험
영어 명칭	Wu experiment
목표	약한 상호작용에서의 패리티 보존 여부 실험적 검증
방법	코발트-60 (Co-60)의 베타 붕괴 관찰
발견	패리티 보존 법칙의 위반
중요성	물리학의 기본 대칭성에 대한 이해를 바꿈 표준 모형의 발전에 기여
관련 인물	추젠슝 (C. S. Wu) 어니스트 앰블러 (Ernest Ambler) 레이먼드 W. 헤이워드 (Raymond W. Hayward) 대들리 D. 호페스 (Dudley D. Hoppes) 랠프 P. 허드슨 (Ralph P. Hudson)
실험 배경
이론적 예측	리정다오와 양전닝의 패리티 보존 법칙에 대한 의문 제기
패리티 보존	물리 법칙이 거울 반사에 대해 동일하게 유지된다는 개념
이전 가정	전자기 상호작용과 강한 상호작용에서는 패리티가 보존된다고 알려짐
새로운 의문	약한 상호작용에서도 패리티가 보존되는지에 대한 의문
실험 설정
사용 물질	코발트-60 (Co-60)
냉각 방법	극저온 냉각 기술 사용 (액체 헬륨을 사용하여 0.01K까지 냉각)
자기장	균일한 자기장 인가
측정 변수	베타 붕괴에서 방출되는 전자의 방향
측정 장비	섬광 계수기
실험 과정
코발트-60 냉각	코발트-60 샘플을 극저온으로 냉각하여 열적 움직임 최소화
자기장 정렬	인가된 자기장을 사용하여 코발트-60 원자핵의 스핀을 정렬
전자 방출 측정	코발트-60의 붕괴로부터 방출되는 전자의 방향 측정
데이터 수집	전자의 방출 분포에 대한 통계적 데이터 수집
실험 결과
비대칭성 발견	전자가 특정 방향으로 선호되어 방출됨을 확인
패리티 보존 위반	이는 약한 상호작용에서 패리티가 보존되지 않음을 의미
통계적 유의미성	결과는 높은 통계적 유의미성을 가짐
결과의 중요성
패리티 보존 법칙 수정	약한 상호작용에서는 패리티 보존 법칙이 성립하지 않음
물리학의 대칭성	기본적인 물리 법칙에 대한 새로운 이해 제공
표준 모형 기여	표준 모형의 발전에 중요한 역할
노벨상 수상	리정다오와 양전닝이 1957년 노벨 물리학상 수상
추가 정보
참고 자료	C. S. Wu, E. Ambler, R. W. Hayward, D. D. Hoppes, and R. P. Hudson, "Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay," Physical Review 105, 1413 (1957) 노벨상 수상 연설

2. 역사

1927년, 유진 위그너가 반전성 보존 법칙을 제안했다.^[41] 반전성 보존은 우리 세계를 거울에 비춘 것처럼 좌우가 뒤바뀐 세계에서도 자연 법칙이 똑같이 작용한다는 개념이다.

이 법칙은 물리학계에서 널리 받아들여졌고, 전자기 상호작용과 강한 상호작용에서는 실험적으로 확인되었다. 그러나 약한 상호작용에서는 반전성 보존 여부가 실험적으로 검증되지 않았다.

1950년대 중반, 케이온 붕괴 현상에서 반전성 보존 법칙으로 설명할 수 없는 문제가 발견되었다. 이 문제는 타우-세타 수수께끼라고 불렸다.^[56]

리정다오와 양전닝은 모든 기본 상호작용에서 반전성 보존에 대한 연구를 검토하여, 약한 상호작용에서는 실험 데이터가 부족하다는 결론을 내렸다.^[42] 이후 우젠슝에게 코발트-60의 베타 붕괴 방향성 실험을 제안했다. 우젠슝은 1956년 5월부터 실험을 준비했고, 파울리 등 많은 물리학자들의 회의적인 반응에도 불구하고, 미국 국립표준국의 Ernest Ambler와 협력하여 1956년 12월 반전성 비보존을 발견했다.^[46]

리정다오와 양전닝은 1957년 노벨 물리학상을 수상했지만, 우젠슝은 1978년 울프상 물리학상을 수상하기 전까지는 제대로 인정받지 못했다.^[40]^[47]

2. 1. 배경

1927년, 유진 위그너가 반전성 보존 법칙을 처음 제안했다.^[41] 반전성 보존은 우리 세계를 거울에 비춘 것처럼 좌우가 뒤바뀐 세계에서도 자연 법칙이 똑같이 작용한다는 개념이다. 예를 들어, 시계 방향으로 도는 시계를 거울에 비추면 시계 반대 방향으로 도는 것처럼 보이는 것과 같다.

이 법칙은 물리학계에서 널리 받아들여졌고, 전자기 상호작용과 강한 상호작용에서는 실제로 반전성이 보존되는 것이 실험적으로 확인되었다. 하지만, 약한 상호작용에서는 반전성이 보존되는지 실험적으로 검증되지 않았었다.

1950년대 중반, 케이온이라는 입자의 붕괴 현상에서 이상한 점이 발견되었다. 케이온은 두 가지 방식으로 붕괴하는데, 하나는 두 개의 파이온으로, 다른 하나는 세 개의 파이온으로 붕괴하는 것이다. 그런데, 이 두 가지 붕괴 방식은 반전성 보존 법칙으로는 설명할 수 없었다. 이 문제는 타우-세타 수수께끼라고 불렸다.^[56]

리정다오와 양전닝은 모든 기본 상호작용에서 반전성 보존에 대한 기존 연구들을 검토했다. 그 결과, 약한 상호작용에서는 실험 데이터가 부족하여 반전성 보존 여부를 확실히 알 수 없다는 결론을 내렸다.^[42]

2. 2. 리정다오와 양전닝의 제안

1927년, 유진 위그너가 반전성 보존법칙을 공식화했다.^[41] 반전성 보존법칙은 우리 세계와 거울상처럼 반전시켜 만든 세계는 왼쪽과 오른쪽이라는 유일한 차이점을 제외하고 똑같은 방식으로 움직일 것이라는 가정이다.

이 법칙은 다른 보존법칙들처럼 물리학자들에게 널리 받아들여졌고, 전자기적 상호작용과 강한 상호작용에서 ''P''보존은 실제로 실험적으로도 검증되었다. 그러나 1950년대 중반에 발견된 케이온과 관련된 특정 붕괴는 ''P''보존이 참이라고 가정했던 기존 이론으로는 설명할 수 없었다. 케이온 붕괴과정은 두 가지가 있는 것 같아 보였는데, 하나는 두 개의 파이온으로 붕괴하는 것이고, 다른 하나는 세 개의 파이온으로 붕괴하는 것이다. 이것은 수수께끼로 알려져 있다.^[56]

이론물리학자인 리정다오와 양전닝은 모든 기본 상호작용에서 반전성 보존에 관련한 내용에 대한 문헌검토를 했다. 둘이 내린 결론은 약한 상호작용의 경우 실험 데이터들이 ''P''보존을 확인하지도, 반박하지도 않았다는 것이었다.^[42] 그 후 리정다오와 양전닝은 다양한 실험 아이디어들을 가지고 베타붕괴 분광학을 전공하는 우젠슝에게 제안했다. 실험은 코발트-60에서 베타붕괴의 방향성 특성을 실험하는 것으로 결정했다. 우젠슝은 이 획기적인 실험이 가지고 있는 잠재력을 보고선 제네바와 극동으로 떠나는 부부여행도 취소하면서까지 1956년 5월 말에 본격적인 작업을 착수했다.

2. 3. 우젠슝의 실험과 반전성 비보존 발견

유진 위그너는 1927년에 반전성 보존법칙을 제시했다.^[41] 이 법칙은 어떤 세계와 그 세계를 거울에 비춘 세계가 왼쪽과 오른쪽이 바뀐 것을 제외하고는 똑같이 움직인다는 것이다. 예를 들어, 현실 세계에서 시계 방향으로 도는 시계는 거울에 비친 세계에서는 시계 반대 방향으로 돌게 된다.

이 법칙은 전자기적 상호작용과 강한 상호작용에서 실험적으로 검증되어 물리학자들에게 널리 받아들여졌다. 그러나 1950년대 중반, 케이온의 붕괴와 관련된 현상은 ''P''보존을 가정한 기존 이론으로는 설명하기 어려웠다. 케이온은 두 가지 방식으로 붕괴하는 것으로 보였는데, 하나는 두 개의 파이온으로, 다른 하나는 세 개의 파이온으로 붕괴하는 것이었다. 이는 타우-세타 수수께끼로 알려졌다.^[56]

이론물리학자인 리정다오와 양전닝은 모든 기본 상호작용에서의 반전성 보존에 대한 문헌검토를 수행했다. 그 결과, 약한 상호작용에서는 실험 데이터가 ''P''보존을 확인하지도, 반박하지도 않았다는 결론을 내렸다.^[42] 이후 리정다오와 양전닝은 베타붕괴 분광학 전문가인 우젠슝에게 여러 실험 아이디어를 제안했고, 코발트-60의 베타 붕괴 방향성을 실험하는 것으로 결정되었다. 우젠슝은 이 실험의 중요성을 인지하고 1956년 5월 말부터 본격적인 연구에 착수했다. 그녀는 제네바와 극동으로의 부부 여행을 취소할 정도로 열정적이었다. 파울리를 비롯한 대부분의 물리학자들은 실험의 성공 가능성에 회의적이었다.^[43]^[44]^[45]

우젠슝은 저온물리학 전문가인 헨리 부어스(Henry Boorse)와 Mark W. Zemansky에게 연락했고, 그들의 제안으로 미국 국립표준국의 Ernest Ambler와 협력하여 1956년 NBS 저온실험실에서 실험을 준비했다.^[56] 수개월 간의 노력으로 기술적 어려움을 극복한 우젠슝 팀은 1956년 12월, 반전성 비보존을 나타내는 비대칭성을 발견했다.^[46]

우젠슝의 실험에 아이디어를 제공한 리정다오와 양전닝은 실험 직후인 1957년 노벨 물리학상을 수상했다. 우젠슝의 공로는 수상 연설에서 언급되었지만,^[40] 1978년 울프상 물리학상을 수상하기 전까지는 제대로 인정받지 못했다. 볼프강 파울리를 비롯한 많은 사람들이 이에 분노했고, 1988년 노벨상 수상자 잭 스타인버거는 이를 노벨 위원회의 가장 큰 실수라고 비판했다.^[48] 우젠슝은 노벨상에 대한 감정을 공개적으로 밝히지 않았지만, 스타인버거에게 보낸 편지에서 "상을 받기 위해 연구한 것은 아니지만, 어떤 이유로든 내 업적이 간과되었다는 사실에 여전히 마음이 아프다"고 밝혔다.^[49]

2. 4. 노벨상 논란과 우젠슝의 업적 재조명

우젠슝은 반전성 비보존 발견에 결정적인 기여를 했음에도 불구하고, 1957년 노벨 물리학상 수상에서 제외되어 큰 논란이 일었다.^[40]^[47] 많은 과학자들이 이에 대해 비판적인 입장을 표명했으며, 특히 1988년 노벨상 수상자 잭 스타인버거는 이를 노벨 위원회의 가장 큰 실수라고 비판했다.^[48] 잭 스타인버거에게 보낸 편지에서 우젠슝은 "비록 상을 받기 위해 연구를 한 것은 아니지만, 어떤 이유로 내 연구가 간과된 것은 여전히 나에게 큰 상처가 된다"고 언급하며 이 문제에 대한 자신의 심경을 간접적으로 드러냈다.^[49]

우젠슝은 1978년 울프 물리학상을 수상하면서 뒤늦게나마 그 공로를 인정받았다.^[47] 우젠슝의 업적은 여성 과학자로서의 역할 모델을 제시하고, 과학계의 성차별 문제를 제기하는 계기가 되었다.

3. 이론

1927년, 유진 위그너는 현재의 세계와 거울상으로 만들어진 세계가 왼쪽과 오른쪽이 반전된 것을 제외하고 동일하게 작동한다는 패리티 보존(''P''-보존)의 원리를 공식화했다.^[3] (예를 들어, 시계가 시계 방향으로 회전하면 거울상이 만들어졌을 때 시계 반대 방향으로 회전한다).

이 원리는 물리학자들에게 널리 받아들여졌으며, ''P''-보존은 전자기력 및 강력 상호작용에서 실험적으로 검증되었다. 그러나 1950년대 중반, K 중간자와 관련된 특정 붕괴는 ''P''-보존이 참이라고 가정하는 기존 이론으로 설명할 수 없었다. 두 종류의 K 중간자가 있는 것처럼 보였는데, 하나는 두 개의 파이온으로 붕괴되고 다른 하나는 세 개의 파이온으로 붕괴되었다. 이것은 τ–θ 수수께끼로 알려졌다.^[4]

이론 물리학자 리정다오와 양전닝은 모든 기본 상호작용에서 패리티 보존 문제에 대한 문헌 조사를 했다. 그들은 약력의 경우 실험 데이터가 ''P''-보존을 확인하거나 반박하지 않는다고 결론 내렸다.^[5] 그 직후, 그들은 베타 붕괴 분광법 전문가인 우젠슝에게 다양한 실험 아이디어를 제시했고, 코발트-60에서 베타 붕괴의 방향성을 테스트하는 아이디어로 결정했다. 우젠슝은 획기적인 실험의 가능성을 깨닫고 1956년 5월 말에 본격적으로 작업에 착수하여 남편과 함께 제네바와 극동으로 계획했던 여행을 취소하고 다른 물리학자들을 제치고 싶어했다. 볼프강 파울리와 같은 대부분의 물리학자들은 그것이 불가능하다고 생각했고, 심지어 양-리 제안에 대해 회의적인 반응을 보였다.^[6]^[7]^[8]

우젠슝은 실험을 수행하기 위해 저온 물리학에 대한 광범위한 경험을 가진 헨리 보어스와 마크 W. 제만스키에게 연락해야 했다. 보어스와 제만스키의 요청에 따라, 우젠슝은 국립 표준 연구소의 어니스트 앰블러에게 연락하여 1956년에 국립 표준 연구소(NBS)의 저온 실험실에서 실험을 수행하도록 주선했다.^[4] 기술적 어려움을 극복하기 위한 수개월의 작업 끝에, 우젠슝 팀은 1956년 12월에 패리티 위반을 나타내는 비대칭성을 관찰했다.^[9]

리정다오와 양전닝은 우젠슝의 실험 직후인 1957년에 노벨 물리학상을 수상했다. 우젠슝의 발견에 대한 역할은 노벨상 수상 연설에서 언급되었지만,^[2] 1978년 그녀가 첫 울프상을 수상할 때까지는 제대로 인정받지 못했다.^[10] 그녀의 가까운 친구 볼프강 파울리부터 리정다오와 양전닝까지 많은 사람들이 격분했으며, 1988년 노벨상 수상자 잭 슈타인버거는 이를 노벨 위원회의 역사상 가장 큰 실수라고 칭했다. 우젠슝은 상에 대한 자신의 감정에 대해 공개적으로 논의하지 않았지만, 슈타인버거에게 보낸 편지에서 "비록 상을 받기 위해 연구를 한 것은 아니지만, 어떤 이유로 내 연구가 간과된 것은 여전히 나에게 큰 상처가 된다"고 말했다.

3. 1. 반전성과 반전성 대칭

반전성 대칭은 왼쪽과 오른쪽이 바뀌어도 상호작용이 바뀌기 전과 똑같이 작용한다는 것을 의미한다. 이를 다르게 설명하면, 반전성에 대해서만 다른 두 세계, 즉 왼쪽과 오른쪽이 바뀐 "실제" 세계와 "거울" 세계가 있다고 상상할 때, 상호작용이 반전성 대칭인 경우 두 "세계" 모두에서 그 상호작용에 대해서 동일한 결과값을 보여준다.^[50]

우 실험은 코발트-60의 붕괴를 통해 약한 상호작용이 반전성 보존인지 확인하는 실험이었다. 약한 상호작용이 반전성 보존이라면 붕괴할 때의 방출은 모든 방향에서 동일한 확률로 일어나야 하지만, 그렇지 않다면 반전성 대칭이 위반된 것으로 볼 수 있다. 우젠슝 연구팀은 θ와 180°-θ에서의 분포가(여기서 θ는 부모핵의 방향과 전자의 운동량 사이의 각을 말한다.) 비대칭임을 관측한다면, 베타붕괴에서 반전성은 보존되지 않는다는 것을 증명한다고 설명했다.^[50]

코발트-60 핵은 스핀을 전달하지만, 스핀은 (각운동량은 축 벡터이므로) 반전성 아래서 방향을 바꾸진 않는다. 반면에 붕괴할 때 생성되는 입자들이 방출되는 방향은 운동량으로 극 벡터이기 때문에 반전성에 따라 바뀐다. 즉, "실제" 세계에서 코발트-60 핵 스핀과 붕괴된 입자들의 방출이 둘 다 비슷한 방향이라면 "거울" 세계에서는 반대 방향일 것이다. 진행 방향은 반전되었을 것이지만 스핀 방향은 그렇지 않았을 것이다.^[51]

이는 두 "세계" 사이의 약한 상호작용 반응에 분명한 차이가 있음을 의미하며, 따라서 약한 상호작용은 반전성 대칭이라고 말할 수 없다. 약한 상호작용이 반전성 대칭이 된다고 변호할 수 있는 유일한 방법은 방출 방향이 무작위하다고 주장하는 것뿐이다. 방출 방향이 무작위하면 어쨌거나 양방향으로 똑같은 양을 방출하므로, "거울" 세계에서 방출 방향이 바뀌는 게 "실제" 세계와 구분할 수 없기 때문이다.

3. 2. 약한 상호작용과 반전성 비보존

우젠슝 실험 이전에는 약한 상호작용에서도 반전성이 보존될 것이라고 예상되었으나, 실험 결과는 이러한 예상을 뒤집었다. 약한 상호작용은 쿼크와 렙톤의 종류(flavor)를 바꾸는 상호작용으로, 베타 붕괴가 대표적인 예시이다. 우젠슝 실험은 코발트-60의 베타 붕괴에서 방출되는 전자의 운동량과 코발트-60 핵의 스핀 방향 사이의 상관관계를 측정하여 반전성 비보존을 확인했다.^[50]^[1] 코발트-60 핵의 스핀은 축 벡터이므로 반전 변환에 대해 부호가 바뀌지 않지만, 전자의 운동량은 극 벡터이므로 반전 변환에 대해 부호가 바뀐다. 따라서 스핀과 운동량 사이의 상관관계는 반전성에 민감하게 반응한다.^[51]^[11]

"실제" 세계에서 코발트-60 핵 스핀과 붕괴된 입자들의 방출 방향이 비슷하다면, "거울" 세계에서는 방출 방향이 반대 방향이 된다. 진행 방향은 반전되었지만, 스핀 방향은 바뀌지 않기 때문이다.^[51]

이는 두 "세계" 사이의 약한 상호작용 반응에 분명한 차이가 있음을 보여주며, 따라서 약한 상호작용은 반전성 대칭이라고 말할 수 없다. 방출 방향이 무작위할 경우에만 약한 상호작용이 반전성 대칭을 가진다고 주장할 수 있다. 방출 방향이 무작위하면 양방향으로 똑같은 양을 방출하므로, "거울" 세계에서 방출 방향이 바뀌는 것이 "실제" 세계와 구분할 수 없기 때문이다.^[51]

4. 실험

1956년 워싱턴 D.C.의 미국표준국 저온 실험실에서 수행된 우 실험. 단열 탈자화를 통해 방사성 동위원소를 절대 영도에 가깝게 냉각시키기 위해, 코발트-60과 검출기, 필드 코일이 포함된 수직 진공 챔버를 듀어(Dewar)에 설치하고 배경에 있는 대형 전자석에 삽입하는 모습이다.

우 실험은 균일한 자기장에 정렬된 코발트-60(⁶⁰Co) 원자가 절대 영도에 가깝게 냉각된 상태에서 붕괴하는 현상을 관찰하는 방식으로 진행되었다. 코발트-60은 베타 붕괴를 통해 안정적인 니켈-60(⁶⁰Ni)으로 붕괴하는 불안정한 코발트 동위 원소이다. 붕괴 과정에서 코발트-60 핵 내부의 중성자 하나가 전자(e^-)와 전자 반중성미자()를 방출하며 양성자로 붕괴한다. 이 결과 생성된 니켈 핵은 들뜬 상태에 있다가 두 개의 감마선(γ)을 방출하며 즉시 바닥 상태로 안정화된다. 이 반응의 전체 핵 방정식은 다음과 같다.^[52]

:

{}^{60}_{27}\text{Co} \rightarrow {}^{60}_{28}\text{Ni} + e^- + \bar{\nu}_e + 2{\gamma}

감마선은 전자기 상호작용을 통해 방출되는 광자이므로, 모든 방향으로 거의 동일한 확률로 방출된다(거의 "등방성"으로 분포됨). 따라서 방출된 전자의 분포가 감마선의 분포와 비교하여 등방성인지 여부를 확인할 수 있다. 즉, 감마선 분포는 방출된 전자의 분포를 조절하는 역할을 한다. 또한 감마선 분포의 "이방성"(모든 방향으로 완벽하게 균등하게 분포되지 않는 정도)을 통해 코발트-60 핵의 정렬 상태(스핀 정렬 정도)를 파악할 수 있다.^[53]

실험에서는 두 가지 서로 다른 방향에서 감마선과 전자의 방출 비율을 계산하고 그 값을 비교했다. 이 비율은 시간이 지남에 따라, 그리고 반대 방향으로 향하는 자기장(polarizing field)에서 측정되었다. 만약 전자와 감마선의 검출 비율이 크게 다르지 않다면, 약한 상호작용에서도 반전성이 보존된다는 증거가 될 수 있었다. 그러나 검출 비율이 크게 다르다면, 약한 상호작용이 반전성 보존을 위반한다는 강력한 증거가 될 것이다.

1927년 유진 위그너는 패리티 보존(P-보존)의 원리를 제시했다.^[3] 이는 현재 세계와 거울에 비친 세계가 좌우만 반전되었을 뿐 동일하게 작동한다는 개념이다. 예를 들어 시계가 시계 방향으로 회전하면, 거울에 비친 시계는 시계 반대 방향으로 회전한다.

이 원리는 물리학자들에게 널리 받아들여졌고, 전자기력 및 강력 상호작용에서는 실험적으로 검증되었다. 그러나 1950년대 중반, K 중간자와 관련된 특정 붕괴 현상은 ''P''-보존을 전제한 기존 이론으로는 설명할 수 없었다. 두 종류의 K 중간자가 존재했는데, 하나는 두 개의 파이온으로, 다른 하나는 세 개의 파이온으로 붕괴되었다. 이를 τ-θ 수수께끼라고 불렀다.^[4]

이론 물리학자 리정다오와 양전닝은 모든 기본 상호작용에서 패리티 보존 문제에 대한 문헌 조사를 수행했다. 그들은 약력의 경우 실험 데이터가 ''P''-보존을 확증하거나 반박하지 않는다고 결론 내렸다.^[5] 그들은 코발트-60의 베타 붕괴 방향성을 실험하는 아이디어를 제시했고, 우젠슝은 1956년 5월부터 본격적으로 실험에 착수했다. 대부분의 물리학자들은 실험이 불가능하다고 생각했지만, 우젠슝은 저온 물리학 전문가들의 도움을 받아 1956년 12월에 패리티 위반을 나타내는 비대칭성을 관찰했다.^[6]^[7]^[8]^[9]

리정다오와 양전닝은 우젠슝의 실험 직후인 1957년 노벨 물리학상을 수상했다. 우젠슝의 업적은 노벨상 수상 연설에서 언급되었지만,^[2] 1978년 첫 울프상을 수상하기 전까지는 제대로 인정받지 못했다.^[10]

4. 1. 실험 설계

우젠슝의 실험 설계는 코발트-60 원자핵의 베타 붕괴를 이용했다. ⁶⁰Co^영어은 불안정한 코발트의 동위원소로, 베타 붕괴를 통해 안정적인 니켈-60(⁶⁰Ni)으로 변환되면서 전자(e^-)와 전자 반중성미자(

\bar{\nu}_e

), 그리고 두 개의 감마선(γ)을 방출한다.^[52]^[12]^[30] 이 반응의 전체 핵 방정식은 다음과 같다.

:

{}^{60}_{27}\text{Co} \rightarrow {}^{60}_{28}\text{Ni} + e^- + \bar{\nu}_e + 2{\gamma}

실험의 핵심은 코발트-60 핵을 균일한 자기장에 정렬시키고, 절대 영도에 가깝게 냉각시켜 열 운동으로 인한 정렬 흐트러짐을 최소화하는 것이었다.^[52] 이를 위해 단열 감자 방법을 사용했다.^[1] 방사성 코발트를 란데 g-인자가 매우 이방성인 질산세륨-마그네슘 결정의 얇은 표면층에 증착시킨 후, 헬륨을 저압으로 펌핑하여 온도를 1,200까지 낮추었다. 그 후 수평 자기장을 끄면 온도가 약 3까지 감소했다. 수직 솔레노이드를 이용하여 코발트 핵을 위 또는 아래로 정렬시켰다.^[1]

감마선 방출은 적도 및 극 카운터를 사용하여 측정되었으며, 베타선 방출도 온난화 기간 동안 지속적으로 측정되었다.^[1] 감마선은 전자기 상호작용을 통해 방출되므로, 그 분포는 모든 방향으로 거의 동일(등방성)해야 했다. 따라서 감마선 분포는 방출된 전자의 분포를 조절하는 조절 변수 역할을 했다.^[53] 또한 감마선 분포의 비등방성은 코발트-60 핵의 정렬 정도를 나타내는 지표로 사용되었다.^[53]

실험에서는 두 가지 다른 방향에서 감마선과 전자의 방출 비율을 계산하고 그 값을 비교했다. 이 비율은 시간이 지남에 따라, 그리고 분극장의 방향을 반대로 하여 측정되었다.^[52] 만약 전자와 감마선의 검출 비율이 크게 다르지 않다면, 약한 상호작용에서도 반전성이 보존된다는 증거가 될 수 있었다. 반대로 검출 비율이 크게 다르다면, 약한 상호작용이 반전성 보존을 위반한다는 강력한 증거가 될 수 있었다.^[52]

4. 2. 실험 방법

코발트-60 핵을 정렬하기 위해 강한 자기장과 극저온 환경을 조성했다. 단열 소자 방법을 이용하여 0.003K의 극저온을 구현했다. 이를 위해 세륨-마그네슘 질산염 결정을 이용했는데, 이 결정은 매우 이방적인 Landé g-인자를 갖는 상자성 염이었다.^[32]^[33] 이 염은 높은 g-인자 축을 따라 자화되었고, 헬륨을 저압으로 팽창시켜 온도를 1.2K까지 낮췄다. 이후 수평 자기장을 차단하여 온도를 0.003K까지 낮추었다. 수직 솔레노이드를 작동시켜 코발트 원자핵을 위쪽 또는 아래쪽으로 정렬했다.^[28]

코발트-60(⁶⁰Co)은 β 붕괴를 통해 안정적인 니켈-60(⁶⁰Ni)으로 붕괴되는 방사성 동위 원소이다. 이 붕괴 과정에서 코발트-60 핵 내의 중성자 중 하나가 전자(e^-)와 반전자 중성미자(

\bar{\nu}_e

)를 방출하며 양성자로 붕괴한다. 이로 인해 코발트-60 핵은 니켈-60 핵으로 변환된다. 생성된 니켈 핵은 여기 상태에 있으며, 두 개의 감마선을 방출하며 즉시 바닥 상태로 떨어진다. 전체 핵 반응식은 다음과 같다.^[30]

:

{}^{60}_{27}\text{Co} \rightarrow {}^{60}_{28}\text{Ni} + e^- + \bar{\nu}_e + 2{\gamma}

감마선 방출은 전자기 과정이므로, 이 과정에서는 패리티 보존(P 보존)이 지켜지는 것이 알려져 있었다. 실험에서는 반대 방향의 핵 스핀을 가진 감마선 방출과 전자 방출의 분포를 비교했다. 만약 전자가 감마선과 항상 같은 방향, 같은 비율로 방출되는 것이 밝혀졌다면, P 보존은 참이 된다. 만약 붕괴의 방향성이 편향된다면, 즉, 전자의 분포가 감마선의 분포를 따르지 않는다면, 패리티 위반이 증명된다.

감마선 생성은 적도 방향과 극 방향의 계측기를 사용하여 측정되었다. 감마선의 편극은 결정이 따뜻해져서 이방성이 사라질 때까지 15분 동안 연속적으로 측정되었다. 마찬가지로 β선 방출도 이 온도 상승 동안 연속적으로 측정되었다.^[28]

4. 3. 실험 결과

우젠슝의 실험 결과, 감마선 이방성은 약 0.6으로 측정되었다. 이는 감마선의 약 60%가 한 방향으로, 40%가 다른 방향으로 방출되었음을 의미한다. 만약 베타 붕괴에서 반전성이 보존된다면, 방출되는 전자는 핵 스핀과 관계없이 특정 방향으로 붕괴되지 않아야 하며, 방출 방향의 비대칭성은 감마선의 비대칭성과 유사해야 한다. 그러나 우젠슝은 전자가 감마선 이방성 값보다 훨씬 큰 비대칭성을 보이며, 감마선보다 반대 방향으로 우선 방출되는 현상을 관찰했다. 즉, 대부분의 전자는 핵 스핀의 반대 방향으로 붕괴하는 경향을 보였다.^[50]

이러한 전자 방출 비대칭성은 자기장(polarizing field)의 방향을 반전시켜도 부호가 바뀌지 않았다. 이는 비대칭성이 샘플의 잔류 자화 때문에 발생한 것이 아님을 시사한다. 이후 연구를 통해 반전성 위반 정도는 거의 최대치에 가깝다는 것이 밝혀졌다.^[56]^[57]

우젠슝의 실험 결과는 물리학계에 큰 충격을 주었다. 일부 연구자들은 우젠슝 연구팀의 결과를 재현하기 위해 노력했으며,^[58]^[59] 다른 연구자들은 결과에 대한 불신을 표하기도 했다. 볼프강 파울리는 국립표준국(NBS)의 Georges M. Temmer로부터 반전성 보존이 항상 성립하는 것은 아니라는 소식을 듣고 "그건 말도 안 되는 소리입니다!"라고 반응했다. Temmer가 실험 결과가 이를 뒷받침한다고 확신시키자, 파울리는 "그럼 다시 실험해봐야겠네요!"라고 퉁명스럽게 대답했다.^[56] 1957년 말, 추가 연구를 통해 우젠슝 연구팀의 결과가 재확인되면서 약한 상호작용에서의 반전성 위반(''P''위반)은 확고한 사실로 자리 잡았다.^[56]

5. 메커니즘 설명

약한 상호작용은 W 보손을 매개로 쿼크와 렙톤 사이에 작용하는 힘이다. 베타 붕괴는 중성자가 양성자로 변환되면서 W^- 보손을 방출하고, W^- 보손이 다시 전자와 반전자 중성미자로 붕괴하는 과정이다.^[37]

: → + + ^[38]

쿼크는 손지기성이 오른손잡이인 것과 왼손잡이인 것이 있다. 쿼크가 시공간을 운동하면서 오른손잡이에서 왼손잡이, 왼손잡이에서 오른손잡이로 손지기성이 진동한다. 우 실험의 패리티 대칭성 파괴 분석 결과, 다운 쿼크 중 왼손잡이인 것만 붕괴하며, 약한 상호작용은 쿼크와 왼손잡이 렙톤 (혹은 반쿼크와 오른손잡이 반렙톤)에만 관여한다. 다운 쿼크 중 오른손잡이인 것은 약한 상호작용을 전혀 느끼지 못한다. 만약 다운 쿼크가 질량을 가지지 않는다면 진동은 일어나지 않으며, 그 오른손잡이 부분은 그 자체로 매우 안정적이다. 하지만 다운 쿼크는 유한한 질량을 가지므로, 실제로는 진동하며 붕괴한다.^[38]

우 실험이나 골드하버 실험과 같은 실험을 통해, 질량이 없는 중성미자는 왼손잡이, 질량이 없는 반중성미자는 오른손잡이여야 한다는 것이 밝혀졌다. 현재는 중성미자가 작은 질량을 가지고 있다는 것이 알려져 있기 때문에, 오른손잡이 중성미자와 왼손잡이 반중성미자가 존재한다고 제안되고 있다. 이러한 중성미자는 약한 라그랑지안과 연결되지 않고, 중력으로만 상호작용하므로, 우주의 암흑 물질의 일부를 형성하고 있을지도 모른다.^[39]

6. 실험이 학계에 준 영향

우젠슝의 발견은 널리 보도되었으며, 핵분열을 발견했던 독일인 물리학자 오토 로베르트 프리슈는 프린스턴 대학교의 사람들이 우젠슝의 발견이 알베르트 아인슈타인의 상대성이론에 영감을 준 마이컬슨-몰리 실험 이후 가장 중요하다고 말했다고 전했다.^[60] 미국대학여성협회(AAUW)는 이 발견을 "원자 및 핵물리학의 가장 큰 수수께끼에 대한 해결책"이라고 칭했다.^[65]

압두스 살람은 이 실험의 영향에 대해 다음과 같이 평했다.

> 만약 고전 작가가 왼쪽 눈만 가진 거인(키클롭스)을 썼다면, 그 작가는 한쪽 눈만을 가진 거인들에 대해 서술하고 모든 특징들을 제공했을 것입니다. 하지만 그 작가는 항상 이마 중앙에 외로운 눈만을 강조했겠죠. 제가 보기에 우리가 발견한 것은 우주는 약한 왼쪽 눈의 거인이라는 것입니다.^[60]

6. 1. 표준 모형 정립

이 발견은 입자와 힘의 대칭성, 그리고 그 대칭성이 깨질 수 있다는 것을 가정하는 모형인 표준 모형이 만들어지는 토대를 마련했다.^[63]^[64] 우젠슝의 발견은 압두스 살람이 증명한 통일된 전약력의 지평을 열었으며, 이 두 기본 상호작용의 통합은 기본 상호작용을 합친다는 이론적인 새로운 모델 제시와 대통일 이론으로 다가가는 발판이 되었다는 점에서 큰 의미를 시사한다.

1927년, 유진 위그너는 패리티 보존(P-보존)(''P''-보존)의 원리를 공식화했다.^[3] 이는 현재의 세계와 거울상으로 만들어진 세계가 왼쪽과 오른쪽이 반전된 것을 제외하고 동일하게 작동한다는 아이디어였다.

이 원리는 물리학자들에게 널리 받아들여졌으며, ''P''-보존은 전자기력 및 강력 상호작용에서 실험적으로 검증되었다. 그러나 1950년대 중반, K 중간자와 관련된 특정 붕괴는 ''P''-보존이 참이라고 가정하는 기존 이론으로 설명할 수 없었다. 두 종류의 K 중간자가 있는 것처럼 보였는데, 하나는 두 개의 파이온으로 붕괴되고 다른 하나는 세 개의 파이온으로 붕괴되었다. 이것은 τ–θ 수수께끼로 알려졌다.^[4]

이론 물리학자 리정다오와 양전닝은 모든 기본 상호작용에서 패리티 보존 문제에 대한 문헌 조사를 했다. 그들은 약력의 경우 실험 데이터가 ''P''-보존을 확인하거나 반박하지 않는다고 결론 내렸다.^[5] 그 직후, 그들은 베타 붕괴 분광법 전문가인 우젠슝에게 다양한 실험 아이디어를 제시했다. 그들은 코발트-60에서 베타 붕괴의 방향성을 테스트하는 아이디어로 결정했다.

우젠슝은 그녀의 실험을 수행하기 위해 저온 물리학에 대한 광범위한 경험을 가진 헨리 보어스와 마크 W. 제만스키에게 연락해야 했다. 보어스와 제만스키의 요청에 따라, 우젠슝은 국립 표준 연구소의 어니스트 앰블러에게 연락하여 1956년에 국립 표준 연구소의 저온 실험실에서 실험을 수행하도록 주선했다.^[4] 기술적 어려움을 극복하기 위한 수개월의 작업 끝에, 우젠슝의 팀은 1956년 12월에 패리티 위반을 나타내는 비대칭성을 관찰했다.^[9]

리정다오와 양전닝은 우젠슝의 실험 직후인 1957년에 노벨 물리학상을 수상했다. 우젠슝의 발견에 대한 역할은 노벨상 수상 연설에서 언급되었지만,^[2] 1978년 그녀가 첫 울프상을 수상할 때까지는 제대로 인정받지 못했다.^[10]

우 실험의 결과는 좌우 개념을 조작적으로 정의하는 방법을 제공한다. 우 실험을 통해 다른 그룹에게 '좌'와 '우'라는 단어가 정확히 무엇을 의미하는지 명확하게 전달할 수 있다. 우 실험은 마침내 과학적으로 좌우를 명확하게 정의하는 오즈마 문제를 해결했다.^[19]

기본 입자 수준에서, 베타 붕괴는 음전하를 가진 다운 쿼크가 W 보손 방출을 통해 양전하를 가진 업 쿼크로 변환됨으로써 발생한다. W 보손은 이후 전자와 전자 반중성미자로 붕괴된다.

쿼크는 왼쪽 부분과 오른쪽 부분을 갖는다. 우 실험의 패리티 위반 시연을 분석한 결과, 다운 쿼크의 왼쪽 부분만 붕괴되며 약한 상호작용은 쿼크와 렙톤의 왼쪽 부분(또는 반쿼크와 반렙톤의 오른쪽 부분)에만 관여한다는 것을 추론할 수 있다.

6. 2. 우주론 및 입자물리학 연구에 미친 영향

CP 대칭성 붕괴는 우주 초기의 물질-반물질 불균형을 설명하는 데 중요한 역할을 한다.^[68] 쌍생성에 의해 모든 물질은 반물질과 동시에 만들어져서 쌍소멸로 같이 사라지는데, 빅뱅우주론에서 지금과 같은 우주가 만들어지려면 물질이 더 우세해야 한다. 이러한 대칭성의 결여는 물질-반물질 불균형의 단서를 제공한다.^[68]

우젠슝의 발견은 압두스 살람이 증명한 통일된 전약력의 지평을 열었으며, 이 두 기본 상호작용의 통합은 기본 상호작용을 합친다는 이론적인 새로운 모델 제시와 대통일 이론으로 다가가는 발판이 되었다는 점에서도 의미가 있다.

우 실험 및 골드하버 실험과 같은 실험을 통해 질량이 없는 중성미자는 왼손잡이여야 하고 질량이 없는 반중성미자는 오른손잡이여야 함이 밝혀졌다.^[39] 현재 중성미자가 작은 질량을 갖는 것으로 알려져 있으므로, 오른손잡이 중성미자와 왼손잡이 반중성미자가 존재할 수 있다는 가설이 제기되었다. 이 중성미자는 약한 라그랑지안과 결합하지 않으며 중력적으로만 상호작용하여, 우주의 암흑 물질의 일부를 형성할 수 있다.^[21]

참조

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