レオン・レダーマン：その週末の夜、私は均衡を破る方法を考え出しました。

1957 年 1 月 4 日、コロンビア大学物理学部での伝統的な中国料理の昼食会で、レーダーマンは、呉健雄が行っていたパリティ実験が初期の成果を上げつつあることを、李宗道から聞いた。彼は、パリティが保存されるかどうかを別の方法、つまり回転するパイオンとミューオンの崩壊を観察することによって検証したかった。これは、1956 年の論文で Tsung-Dao Lee と Chen-Ning Yang が提案した実験的アイデアの 1 つであった。その夜、レーダーマンは、成功すれば「大きな効果」が見られるであろう実験を思いついた。著書『神の粒子：宇宙が答えなら、疑問は何か？』の中で、レーダーマンはこの体験を詳細に検証した。物語の結末は、レーダーマン氏と彼の同僚が4日以内に「神の破壊」を目撃し、呉建雄氏の検査結果を待ってから共同で論文を発表したというものだ。この記事では、レーダーマンが運転中に実験で起こった一連の奇跡を現実のものにするというアイデアをどのようにして思いついたのかだけを説明します。

この記事は、『神の粒子：ノーベル賞受賞者が書いた、みんなのための素粒子物理学の興味深い歴史』（四川科学技術出版社、2022年6月）の「インタールードC：週末にパリティを破壊し、神を発見した方法」のセクションから抜粋することを許可されています。編集者によって編集され、タイトルが追加されました。

レオン・M・レダーマンとディック・テレシ著

翻訳：Mi Xujun、Gu Honwei、Zhao Jianhui、Chen Honwei

校正者 |尹川紅

神様が弱い左利きだなんて信じられない。

——パウリ

科学的客観性のテストは、熱意が方法論や自己批判精神を妨げないようにすることです。

—レオン・レダーマン

上海レストラン

また金曜日です。時間は 1957 年 1 月 4 日の正午に止まります。金曜日は、コロンビア大学物理学部の教職員にとって伝統的な中国料理の昼食の日です。 10人から15人の物理学者のグループがまず、李宗道教授のオフィスの外に集まり、その後、120丁目の普平物理学ビルから山のふもとの125丁目とブロードウェイの交差点にある上海レストランまで一緒に歩きました。昼食会は1953年に始まりました。李宗道氏が博士号を取得して間もなく、シカゴ大学からコロンビア大学に移ったのです。この頃、彼はすでに理論上のスーパースターとして非常に高い評価を得ていました。

金曜日の昼食は、2人、3人でおしゃべりしたり、冬瓜のスープを楽しんだり、龍鳳、エビ団子、ナマコ、その他の辛い中国北部の料理を味わったりする人々で賑わっていました。 1957 年当時、これらの料理はあまり人気がありませんでした。そこへ向かう途中で、私たちはすでに今週の金曜日の通信のトピックであるパリティと、当時ワシントンの国立標準局で実験を指揮していたコロンビア大学の同僚であるチェン・シウン・ウーからの最新ニュースについて知っていました。

昼食会で深刻な話題が話し合われる前に、リー・ツンダオ氏はレストランの礼儀正しいウェイターから渡された小さなメモ帳に注文を書き留めた。これは彼が毎週食事に来るときにやらなければならない仕事だった。ツンダオ・リーさんはス​​タイリッシュに料理を注文します。それはまさに芸術です。彼はメニューとメモ帳をちらっと見て、ウェイターに中国語で質問し、それから顔をしかめて、ペンを取り上げて紙にいくつかの記号を書きました。その後、シンボルにわずかな変更が加えられたことで、別の問題が発生しました。彼は神の導きを求めてブリキのレリーフ天井を一目見て、一撃で金を打った。最後にそれを見た時、彼の両手はメモ帳の上に置かれ、片方の手には5本の指が伸ばされ、教皇の祝福を皆に伝え、もう片方の手には鉛筆が握られていた。全部ここにありますか？陰と陽、色、香り、味の完璧なブレンド？ウェイターにメモ帳とペンを渡すと、Tsung-Dao Lee が会話に加わった。

「ウーさんから電話があり、予備データで驚くべき効果が示されたと聞きました！」彼は興奮して言った。

片壁に鏡がある実験室（神によって創造された現実の世界）に戻りましょう。私たちの一般的な経験では、鏡に何をかざしても、実験室で散乱、粒子の生成、ガリレオが行ったような重力実験など、どのような実験を行っても、鏡の実験室内のすべてのものは、現実世界を支配するのと同じ自然法則に従います。まず、パリティ保存則の違反がどのように現れるかを見てみましょう。キラリティーの最も簡単な客観的テストを行うには、Twilo 惑星の住人に右ねじを使用するように依頼します。次に、穴を開けた端を向いて、ネジを時計回りに回します。ネジが木片に穴を開けられている場合、それは右ネジとして定義されます。どうやら、鏡には左ねじが映っていたようです。鏡の中の「Twilo」がねじを反時計回りに回していたため、ねじは中に入っていました。さて、今度は私たちが信じられない世界（スタートレックのファンタジー惑星のような）に住んでいるとしましょう。ここで左ねじを使用することは不可能です。物理法則に完全に反するからです。このようにして、鏡面対称性は破壊されます。右ねじの鏡像は存在せず、パリティ保存則は破られます。

これは序章です。リー氏とプリンストン高等研究所の同僚であるチェンニン・ヤン氏は、弱い相互作用の下での物理法則の妥当性をテストすることを提案した。右手系（または左手系）の粒子に相当するものが必要です。機械のネジのように、回転と動きの方向を組み合わせる必要があります。回転する粒子であるミューオンを、自身の中心軸の周りを回転する円筒として考えると、回転が起こります。ミューオンシリンダーの両端は同一なので、時計回りに回転するのか、反時計回りに回転するのかはわかりません。これを理解するには、あなたとあなたのお気に入りの対戦相手の 1 人の間に置いてみてください。あなたはそれが右（時計回り）に回転すると断言しますが、彼はそれが左に回転すると主張します。誰が正しくて誰が間違っているかを議論する方法はありません。これはパリティ保存の例です。

リーとヤンの天才的な点は、スピン粒子の崩壊を観察することによって弱い相互作用（彼らがテストしたかったもの）を導入したことです。ミューオンの崩壊生成物の 1 つは電子です。自然が電子が円筒の一方の端からのみ出てくるように指示していると仮定します。これは方向性を示します。さらに、一方の端（電子が出てきた方向）が定義されているため、スピンの概念（時計回りまたは反時計回り）も定義できます。この端はネジの先端として機能します。ミューオンのスピンが、ちょうど崩壊した電子に対して右（時計回り）にある場合、それは釘の先端に対する機械ネジの回転のように、右利きのミューオンと定義されます。さて、これらの粒子が定義により常に右手で崩壊する場合、鏡面対称性を破る粒子過程も存在します。これは、ミューオンのスピン軸がミラーと平行になっているときに見えるものです。鏡に映った像は左利きのミューオンですが、実際には存在しません (下図参照)。

ミラー実験とパリティ保存

呉建雄の状況に関するニュースはクリスマス休暇の頃に広まっていたが、正月明けの金曜日は休暇後最初の物理学部の集まりだった。 1957 年、呉建雄は私と同じくコロンビア大学の物理学教授でした。彼女は優れた実験科学者でした。彼女の研究の専門は原子核の放射性崩壊です。彼女は非常に精力的で、学生やポスドク研究員に対して非常に高い基準を持っています。彼女は実験結果を分析する際にも非常に慎重かつ真剣であり、発表した実験データはその精度の高さで広く賞賛されました。

1956 年の夏、李宗道と楊振寧がパリティ保存則の正しさに異議を唱えたとき、呉健雄はほぼ即座にその検証に着手しました。彼女は不安定な放射性原子コバルト60の原子核を実験対象として選びました。コバルト 60 の原子核は、ニッケル原子核、ニュートリノ、および正に帯電した電子 (陽電子) に自発的に崩壊します。私たちが「見る」ことができるのは、コバルト原子核からの陽電子の突然の放出です。この形式の放射線はベータ崩壊と呼ばれます。これは、その過程で放出される電子が、正負にかかわらず、最初はベータ粒子と呼ばれるためです。なぜこのような現象が起こるのでしょうか?物理学者はこれを弱い相互作用と呼び、自然界にはこの反応を引き起こす力が働いていると考えています。力は押す力や引く力、引力や反発力だけではなく、コバルトがニッケルに変化してレプトンを放射するプロセスのように、物質の種類に変化を引き起こすこともあります。 1930 年代以降、多数の反応は弱い相互作用に起因するものと考えられてきました。偉大なイタリア系アメリカ人科学者フェルミは、弱い相互作用に数学的な形を与えた最初の人物であり、これによりコバルト60で起こるような反応の多くの詳細を予測することができました。

1956 年の論文「弱い力におけるパリティの保存に関する疑問」で、Tsung-Dao Lee と Chen-Ning Yang はさまざまな反応を選択し、弱い相互作用ではパリティとミラー対称性がサポートされないというヒントを求めて実験を調べました。彼らは回転する原子核から放出される電子の方向に興味を持っていました。電子が一方の方向を他方の方向よりも好む場合、それはコバルト原子核にボタンダウンのシャツを着せるようなものです。このようにして、どれが実際の実験でどれが鏡像であるかを判断できます。

通常の科学的研究と素晴らしいアイデアの違いは何でしょうか?同様の質問は、詩、絵画、音楽についても行うことができます。実際、法的な訴答でさえ、互いに大きく異なる場合があります。芸術作品の最終的な評価は時間によって下されます。科学では、アイデアや概念の正誤は実験によって決定されます。素晴らしいアイデアであれば、新たな研究分野が開拓され、多数の新たな問題が生じ、多くの古い問題が解決されることが多いでしょう。

李正道は細心の注意を払っています。昼食時に食べ物を注文するときも、古代中国の磁器についてコメントするときも、生徒の能力を評価するときも、彼の見解はまるで熟練した職人のように鋭く明確で、間違いがありません。 Tsung-Dao Lee と Chen-Ning Yang (私は Yang についてあまりよく知りません) によるパリティに関する論文には、その貴重な考えの中に多くの鋭い視点が含まれています。彼らは、かつては破ることのできないものだと考えられていた自然法則に疑問を投げかける中国人の意欲に頼った。リーとヤンは、「完璧に構築された」パリティの法則を導き出した膨大な量のデータは、放射性崩壊を引き起こす自然現象、すなわち弱い相互作用とはまったく関係がないことに気づいた。これはまた別の素晴らしい鋭いアイデアです。これによって、自然界のさまざまな力にはさまざまな保存則があるということを初めて理解できるようになりました。

李宗道と楊振寧は袖をまくり上げて戦いに赴いた。頬に汗が流れ落ち、意欲に満ちていた。彼らは、鏡面対称性の有望なテストとなる多数の放射性崩壊反応を調査した。論文では、実験者が何も言わずに鏡面対称性が有効かどうかをテストできるように、起こり得る反応も詳細に分析した。ウー・ジェンシオンは実験の1つを設計し、コバルト反応を使用しました。彼女のアプローチの鍵となるのは、コバルト原子核のごく一部であっても同じように回転するようにすることです。呉建雄氏は次のように提案した。「これを確実にするために、コバルト 60 源を極低温で動作させることができます。」彼女の実験は非常に繊細で、入手困難な極低温装置を必要とします。これを実現するために、彼女は非常に先進的なスピン制御技術を持つ国立標準技術局に頼りました。

その金曜日の宴会の最後から2番目の料理は、ネギとニラと一緒に黒豆醤油で煮込んだ大きな鯉でした。この料理を振る舞いながら、李宗道氏はこの重要なメッセージを繰り返し強調しました。呉健雄氏が発見した効果は非常に顕著で、私たちが予想していたものの 10 倍以上でした。データはまだ見られておらず、暫定的で非常に予備的なものです（Lee Tsung-Dao は私のために魚の頭を拾ってくれました。彼は私がそれを好むことを知っていたのです）。ニュートリノが 2 つの成分で構成されている場合、予想どおり、その効果が実際に非常に重要であるとしたら... 聞いている間、私は気が散ってしまい、彼が次に何を言っていたのかわかりませんでした。なぜなら、私の心の中に徐々に新しい考えが浮かんできたからです。

大きな効果

昼食後は、特別セミナー、いくつかの定例の学部会議、社交的なお茶会、学術的なディスカッションが行われました。私はこれらすべての活動に気を取られ、呉建雄が「大きな影響」を観察していると常に考えていました。 8月にブルックヘブンで行われたリー氏の講演を聞いて、パイ中間子とミュー中間子が崩壊するとパリティが失われるという考えを思い出しました。私たちはしばらくそれを無視しました。

効果は絶大？ 8 月に私は π-μ 崩壊系列をざっと調べ、合理的な実験は 2 つの連続した反応でパリティ違反が発生するように設計する必要があることに気付きました。 8月にやった計算をずっと思い出していました。しかし、効果が大きい場合は...

午後6時頃、私は夕食のために北のドブスフェリーにある自宅まで車で向かいました。そして、この静かな夜に、私は大学院生の仕事を引き継ぐためにアービントン・オン・ハドソンにあるネビス研究所へ行きました。ネヴィス研究所の 400 MeV 加速器は、1950 年代には比較的新しい粒子であったミューオンを生成し研究するための主力装置でした。その幸せな時代には、気にかける価値のある中間子の種類はほんのわずかしかなく、ネヴィスはパイ中間子とミュー中間子に焦点を当てていました。

ネヴィス研究所では、陽子が衝突する標的から非常に強力なパイオンの流れが発生します。パイ中間子は安定していません。ターゲットから飛び出し、加速器から脱出し、遮蔽壁を通過して実験ホールに入ります。この期間中に、約 20% の粒子が弱い崩壊を起こし、ミューオンとニュートリノに変化します。

π→μ+ν（飛行中）

ミューオンは通常、パイオンと同じ方向に飛行します。パリティの法則が覆されると、スピン軸が運動と同じ方向にあるミューオンの数は、スピン軸が飛行の反対方向にあるミューオンの数よりも多くなります。効果が大きい場合、自然界はすべての粒子が同じように回転する例を示してくれるかもしれません。これは、呉建雄がコバルト 60 を極低温の磁場で凍結したときに起こったことです。鍵となるのは、既知のスピン軸を持つミューオンが電子といくつかのニュートリノに崩壊するのを観測することです。

インスピレーションは途中で生まれる

金曜日の夜、私たちはソーミルリバーパークウェイから北へ車で向かいました。道路は交通量が多く、途中で森に覆われた美しい丘がぼんやりと見えました。道路はハドソン川に沿って曲がりくねり、リバーデールとヨンカーズを通過して北へ向かいます。途中、私は「大きな影響」が起こり得ることについて考えていましたが、時折、突然の啓示のような感覚を覚えました。

回転する物質の場合、スピン軸の任意の方向が粒子の崩壊を支配する場合にこの効果が発生します。あまり目立たない影響としては、スピン軸の向きに対して、一方の方向に放出される電子が 1030 個、もう一方の方向に放出される電子が 970 個あるということが挙げられ、これにより結論を導き出すことが困難になる。しかし、1500:500 と言うと大きな効果があり、状況ははるかに簡単になります。この幸運の巨人効果は、ミューオンのスピンの配置にも役立ちます。この実験を行うには、すべてのミューオンが一方向に回転するインスタンスが必要です。粒子はサイクロトロンから私たちの装置まで移動する必要があるため、ミューオンの移動方向はミューオンのスピンの基準として使用できます。ほとんどのミューオンは右巻き（またはすべて左巻きでも構いません）である必要があります。ここで、動きの方向を「親指」として考えます。ミューオンは飛び出し、いくつかのカウンターを通過し、最終的に炭素ブロック内に留まります。次に、ミューオンの運動方向に現れる電子の数と、反対方向に現れる電子の数を数えます。数字に大きな差がある場合は、パリティ違反の証拠となります。そうすれば、私たちは有名になり、幸運が訪れます！

突然、ある考えがこの平凡で平和で静かな金曜の夜を乱した。この実験は簡単にできると思いました。私の大学院生であるマルセル・ウェインリッヒは、ミューオンに関する実験を行っています。彼の実験装置は、その巨大な効果を調べるために少し改造することができた。この時点で、私はコロンビア大学の加速器を使用してミューオンを生成する方法を確認しました。この分野の専門家として、私は何年も前、無謀な大学院生で機械が新品だった頃に、ディンロット氏とともにエキゾチックなミューオンビームとパイオンビームを設計しました。

その全過程が頭に浮かびました。重さ 4,000 トンの磁石と直径約 20 フィートの円形のポールを備えた加速器、そしてその加速器の内部には空気が抜かれた巨大なステンレス製の箱、真空チャンバーがありました。陽子の流れが小さなチューブを通って磁石の中心に注入されます。陽子は非常に強い高周波電圧の下で繰り返し突進し、螺旋状に前進します。粒子が螺旋状の旅の終わりに到達すると、そのエネルギーは 400 MeV になります。真空チャンバーの端の近く、基本的に磁石の届かないところに、グラファイトシートを載せた小さな棒が、高エネルギー陽子の衝突を待っています。 4億ボルトという高電圧は、これらの高エネルギー陽子がグラファイトターゲット上の炭素原子核と衝突したときに、新しい粒子（パイオン）を生成するのに十分です。

この瞬間、私は陽子の衝撃でパイオンが前方に放出される光景をじっと見つめていたようでした。それらはサイクロトロンの強力な磁石の極の間で生まれ、緩やかな曲線を描いて飛び出し、サイクロトロンの外で消えていきます。ミューオンはその後そこに現れ、パイオンの未完の旅を続けました。磁極片の外側の磁場が急速に消滅し、ミューオンは10フィートの厚さのコンクリート防護壁を通るトンネルを通って、私たちが長い間待っていた実験ホールに送り込まれました。

研究室では、マルセルが装置を起動しています。ミューオンはゆっくりと厚さ3インチのフィルターに落ち、その後、さまざまな元素を含む厚さ1インチの物質ブロックに送られ、一時的に保管されます。ミューオンは物質内の原子と穏やかに衝突してエネルギーを失い、負の電荷を持っているため、最終的には正の電荷を持つ原子核に捕らえられます。ミューオンのスピンの方向に何かが影響することを望まないため、また、軌道上に閉じ込められると破壊的になるため、正に帯電したミューオンを使用します。正電荷を帯びたミューオンは何をしますか?朽ち果てるまでただ静かに回転し続けるだけなのかもしれない。材料は慎重に選択する必要があり、カーボンが適しているように思われました。

さて、1 月の金曜日に北に向かって車を運転していたとき、重要な考えが頭に浮かびました。パイオンが崩壊するときに生成されるミューオンのすべて（またはほぼすべて）が何らかの方法でスピンを同じ方向に調整できる場合、パイオンからミューオンへの反応はパリティ保存則に違反し、その違反はひどいものになります。効果絶大！ここで、ミューオンが装置から飛び出してトンネルを優雅な弧を描いて通過するとき、そのスピン軸が運動の方向と平行のままであると仮定します (g 係数が 2 に近い場合に実際に起こることです)。さらに、ミューオンと炭素原子の間の無数の穏やかな衝突により、スピンと運動方向の関係に影響を与えることなく、ミューオンと炭素原子の速度が徐々に低下すると仮定します。もしこれが本当に起こったら、とても奇妙なことでしょう!私は、ミューオンを一時的に保管するための物質ブロック内に取り込み、同じ方向に回転させる計画を立てています。

実験を成功させるには一連の奇跡が必要であるように思われた。実際、8月にツングダオ・リーとチェンニン・ヤンが小さな効果を示唆する論文を発表したとき、私たちはそのような一連の奇跡が必要であることに落胆した。 1 つの小さな効果は忍耐強く克服できますが、2 つの小さな効果 (たとえば 1 パーセントの 1 パーセント) が連続すると、実験は絶望的になります。なぜ 2 つの連続した小さな効果が発生するのでしょうか?自然は、ほぼ同じスピン方向を持つミューオンに崩壊するパイオンを提供しなければならなかったことを思い出してください（奇跡の 1 つ）。ミューオンは、ミューオンに対して明らかに非対称なスピン軸を持つ電子に崩壊する必要もあった（奇跡 2）。

ヨンカーズ料金所（1957 年当時は 5 セント）を通過したとき、私はとても興奮しました。パリティ違反が明らかであれば、ミューオンは偏極している（スピン軸が同じ方向を向いている）と確信しています。ミューオンスピンの磁気特性も解明しました。これは、磁場がスピンの方向を粒子の運動の方向に「変える」ためです。ミューオンがエネルギー吸収グラファイトに入ると何が起こるかについては、よく分かりません。もし私が間違っていたら、ミューオンのスピン軸はあちこちに散らばってしまうでしょう。もしそうなら、電子のスピン軸に対する放射を観測することは不可能になります。

もう一度確認してみましょう。奇跡の一部は、パイオンの崩壊によって、スピンがパイオンの運動方向と揃ったミューオンが生成されることです。ここで、ミューオンを停止して、ミューオンが崩壊するときに放出される電子の方向を観察できるようにする必要があります。炭素ブロックに衝突する前に原子が動いていた方向がわかっているので、原子を回転させ続けるものが何もないと仮定すると、原子が静止して崩壊するときの原子の回転方向を計算できます。残された作業は、電子検出アームを炭素ブロックの周りに移動させることだけです。そこでは、ミューオンが鏡面対称性をチェックされるのを待っています。

何をすべきか考え直すうちに、手のひらに汗がにじんできました。カウンターはすべて揃っています。高エネルギーミューオンが到着してグラファイトブロックにゆっくりと進入するタイミングを知らせる電子機器はすでに設置され、テストに合格している。ミューオンの崩壊によって生成される電子を検出するための4つのカウンターからなる「望遠鏡」も同様に設置され、テストに合格している。私たちがしなければならないのは、これらのものを特定の方法でプレート上に固定し、それをグラファイト ブロックの中心の周りに設置することです。たった1、2時間の作業です。おお！しかし、また眠れない夜になりそうな気がします!

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