L’expérience de Wu

L’expérience de Wu a apporté la première preuve expérimentale directe que la parité n’est pas conservée dans les interactions faibles. Cette découverte a profondément marqué la physique moderne, en montrant que certaines symétries, longtemps considérées comme fondamentales, ne sont pas respectées par la nature.

Jusqu’aux années 1950, on admettait presque sans réserve que les lois de la physique restaient inchangées lorsqu’on échangeait la gauche et la droite. Autrement dit, un phénomène physique et son image dans un miroir étaient supposés être également possibles.

Cette propriété porte le nom d’invariance de parité, ou symétrie de parité.

Par exemple, un électron et un positron peuvent s'annihiler en produisant deux photons émis dans des directions opposées. Si l'on considère la configuration spéculaire de ce processus, dans laquelle les positions de l'électron et du positron sont inversées, le phénomène reste parfaitement possible et obéit aux mêmes lois fondamentales. Cela montre que l'annihilation électron-positron conserve la parité : le processus physique et son image miroir sont tous deux réalisables dans la nature.

De Newton à Dirac, l’idée selon laquelle la nature « ne fait pas de différence » s’est imposée comme une évidence intellectuelle, plus que comme une hypothèse à tester expérimentalement.

Cette vision reposait sur une conception presque platonicienne de l’univers, perçu comme fondamentalement harmonieux et symétrique.

Pourtant, en 1956, Tsung-Dao Lee et Chen-Ning Yang formulèrent une remarque décisive : personne n’avait jamais vérifié expérimentalement si la parité était conservée dans les interactions faibles. Ils proposèrent alors une expérience capable de trancher la question.

Cette expérience fut réalisée en 1957 par la physicienne américaine Chien-Shiung Wu, qui étudia la désintégration bêta du cobalt 60 :

\[ ^{60}\text{Co} \rightarrow ^{60}\text{Ni} + e^- + \bar{\nu}_e \]

Le principe était d’aligner les spins des noyaux de cobalt dans une même direction à l’aide d’un champ magnétique intense, puis d’observer la direction privilégiée d’émission des électrons.

Pour éviter que l’agitation thermique ne perturbe cet alignement, l’échantillon fut refroidi à des températures extrêmement basses, proches du zéro absolu sur l’échelle Kelvin.

Les résultats montrèrent que les électrons étaient émis préférentiellement dans la direction opposée au spin nucléaire.

La configuration miroir, dans laquelle les électrons auraient été émis dans la même direction que le spin nucléaire, ne fut jamais observée. Or, elle aurait dû apparaître si la parité avait été une symétrie fondamentale de la nature.

Note. Sur la figure de gauche, on observe le processus tel qu'il se produit réellement : l'électron est émis vers le bas et son spin tourne dans le sens antihoraire, avec la polarité N - S orientée vers le haut. Sur la figure de droite apparaît la configuration miroir. Ici encore, l'électron est émis vers le bas, mais la rotation devient horaire et la polarité N - S s'inverse, pointant vers le bas. Or, cette configuration ne correspond à aucun phénomène physiquement observable. Cela met clairement en évidence que la symétrie de réflexion spatiale n'est pas respectée : dans les interactions faibles, la parité est effectivement violée.

Cette observation constitua la première preuve expérimentale directe de la violation de la parité. Elle montra que la symétrie de parité n’est pas conservée dans les processus physiques réels.

L’expérience révéla ainsi que la parité n’est pas une symétrie de l’interaction faible et que la symétrie, plus généralement, n’est pas un principe absolu, mais une propriété que la nature peut respecter ou transgresser selon les circonstances.

En termes simples, l’univers distingue clairement la gauche de la droite. Il ne s’agit pas d’un détail subtil, mais d’un aspect profond inscrit dans les lois fondamentales de la physique.

Des expériences ultérieures ont confirmé ces résultats, malgré le scepticisme initial d’une partie de la communauté scientifique, y compris celui de Wolfgang Pauli, qui jugeait une telle violation difficilement acceptable.

Note. La violation de la parité ne fut pas une simple anomalie expérimentale. Elle remit en cause l’idée d’un univers intrinsèquement symétrique. Jusqu’alors, la symétrie était souvent considérée comme un principe fondamental plutôt que comme une hypothèse à tester. L’expérience de Wu montra que cette hypothèse n’avait jamais été véritablement vérifiée dans le cadre des interactions faibles. Elle révéla ainsi une limite humaine : même les scientifiques peuvent être influencés par leurs propres attentes théoriques.

À partir de ce moment, la physique a cessé de rechercher uniquement l’élégance formelle et s’est ouverte à une réalité plus complexe, dans laquelle la symétrie n’est pas universelle, mais dépend du type d’interaction considéré.

Après l’expérience de Wu, toute symétrie a commencé à être examinée avec un scepticisme méthodologique sain.

Cette découverte a ouvert la voie à la formulation moderne de la théorie électrofaible et valut à Lee et Yang le prix Nobel de physique en 1957 pour leur interprétation théorique du phénomène. La confirmation expérimentale décisive fut cependant l’œuvre de Chien-Shiung Wu, dont la contribution demeure essentielle dans l’histoire de la physique.

Des travaux ultérieurs ont également montré que l’interaction faible viole la parité dans d’autres processus physiques.

Par exemple, les neutrinos sont toujours lévogyres, tandis que les antineutrinos sont toujours dextrogyres. Ce fait a été confirmé expérimentalement. La raison pour laquelle la nature a fait ce choix demeure, à ce jour, une question ouverte.

Et ainsi de suite.