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Kürzlich verlieh die Universität Bristol in Großbritannien der 98-jährigen Rosemary Fowler die Ehrendoktorwürde. Während ihrer Doktorarbeit entdeckte sie einen Teilchenzerfallsprozess, der damals als seltsam galt. Auslöser) der Umschreibung der Physik.“ „Gesetz der Ereignisse“; es ist auch der Grund, der Li Zhengdao und Yang Zhenning dazu veranlasste, darüber nachzudenken, ob die Parität erhalten bleibt. Doch Rosemary Fowler verließ die akademische Welt aus familiären Gründen und ihre herausragende Arbeit wurde seitdem kaum noch erwähnt. Jetzt würdigt ihre Alma Mater ihren Beitrag im Namen der Welt.

Zusammengestellt |. Liu Hang

Vor 75 Jahren veranlasste eine scheinbar unbekannte Entdeckung der Teilchenphysik Physiker dazu, die grundlegendsten Symmetrien der Natur zu überdenken. Ihre Entdeckerin ist die 98-jährige Rosemary Fowler(Rosemary Fowler, 1926-)Frau, der kürzlich von ihrer Alma Mater, der University of Bristol, die Ehrendoktorwürde der Naturwissenschaften verliehen wurde, hatte ihren Doktortitel aus familiären Gründen aufgegeben. Paul Nurse, Vizekanzler der University of Bristol und Nobelpreisträger(Paul Nurse)Für sie fand persönlich eine Zeremonie zur Verleihung des Abschlusses statt. In Bristol führte ihre Entdeckung des Zerfalls eines K-Mesons in drei π-Mesonen letztendlich zu einer Revolution in der Theorie der Teilchenphysik;NaturDas Magazin beschrieb ihre Entdeckung als „ein Ereignis, das die Gesetze der Physik neu schreibt“.

Rosemary Fowler wurde die Ehrendoktorwürde verliehen | Quelle: davidjohnsonphotographic.co.uk

Entdeckung der kosmischen Strahlung

Die Jahrzehnte vor und nach dem Zweiten Weltkrieg waren eine Blütezeit für die Teilchenentdeckung. In den 1930er Jahren mit der Entwicklung von Neutronen und Myonen(Leptonen der zweiten Generation)und der Entdeckung des ersten Antimaterieteilchens, des Positrons, hat sich die Liste der subatomaren Teilchen weit über Elektronen und Protonen hinaus erweitert. Zu dieser Zeit verfügte die Universität Bristol unter der Leitung von Cecil Powell über das weltweit führende Team für Physik der kosmischen Strahlung(Cecil Powell, 1903-1969)Unter der Leitung des Professors perfektionierte das Labor die Technologie zur Verwendung lichtempfindlicher Filme zur Untersuchung der kosmischen Strahlung. Aufgrund der geringen Empfindlichkeit von Latex konnten zuvor nur die Spuren einiger Partikel mit niedrigerer Energie und höherer Ionisierung aufgezeichnet werden. Partikel mit höherer Energie und geringerer Ionisierung konnten leicht übersehen werden, was die Wahrscheinlichkeit verringerte, neue Partikel zu entdecken. Powell und seine Mitarbeiter verbesserten die Empfindlichkeit des Latex und erhöhten die Dicke des Latex, wodurch geladene Partikel beim Durchgang durch den Latex ionisierten. Nach der Entwicklung erscheinen sie als schwarze Körner und hinterlassen Spuren. Powells Experimentiergruppe arbeitet intensiv daran, neue Elementarteilchen aus der kosmischen Strahlung zu finden.

1947 bestätigte Cecil PowellπDie Existenz von Mesonen, den leichtesten Teilchen der Mesonenfamilie. Bereits 1934 entdeckte der japanische Physiker Hideki Yukawa(Hideki Yukawa, 1907-1981)Es wurde vorhergesagtπMeson. Yukawa stellte die Hypothese auf, dass Protonen und Neutronen sich gegenseitig durch ein bestimmtes Feld anziehenπMesonen, die als Träger der starken Kernkraft dienen – der Restwechselwirkung der starken Wechselwirkung.(Mesonen bestehen aus einem Paar positiver und negativer Quarks und die starke Wechselwirkung zwischen den Quarks wird durch Gluonen übertragen.)

Im Dezember 1947 George Rochester von der University of Manchester, England(George Rochester, 1908-2001)und Clifford Butler(Clifford Butler, 1922-1999)Die Mesonenforschung auf eine neue Stufe heben. Sie analysierten sorgfältig 5.000 Wolkenkammerfotos und entdeckten das sogenannteθaus seltsamen Teilchen – ein elektrisch neutrales Meson, das in zwei Teile zerfälltπMeson. Einige Monate später entdeckte Rosemary Teilchen, die den Theta-Teilchen sehr ähnlich waren.

Im Jahr 1948 war die 22-jährige Rosemary Doktorandin in der Gruppe von Cecil Powell. Ihre Forschungsarbeit besteht darin, die hellen Latexfotos zu beobachten, die im Höhenlabor des Jungfraujochs in der Schweiz der kosmischen Strahlung ausgesetzt sind, und den Reaktionsprozess hochenergetischer Teilchen durch die Analyse der Partikelspuren in den Latexfotos zu untersuchen. Sie entdeckte etwas Ungewöhnliches – eins zerfiel in dreiπDas exotische Teilchen des Mesons. Später erinnerte sie sich: „Ich wusste sofort, dass dies eine neue Entdeckung war und dass sie bedeutsam war. Wir sahen Ergebnisse, die wir noch nie zuvor gesehen hatten, und wurden später als „K-Track“ bezeichnet für Teilchen, dann bekannt alsτMeson.

Rätselhafterweise sollte das Tau-Meson dasjenige sein, das das Manchester-Team zuvor gesehen hatteθEin Spiegelbild eines Teilchens, das in jeder Hinsicht identisch aussieht: gleiche Masse, gleicher Spin usw. Aber sie verfallen auf ganz unterschiedliche Weise:τDas Meson zerfällt in drei TeileπMeson undθin zwei zerfallenπMeson. Rosemarys Entdeckung scheint die „Spiegelsymmetrie“ oder „Paritätssymmetrie“ zu durchbrechen, bei der die beiden Prozesse entgegengesetzte Paritäten aufweisen.

Die von Rosemary Fowler entdeckte Spur der kosmischen Strahlung „Tau“. „τ-Meson“ zerfällt am Punkt A zuπ++π++π-，π-Dann bricht es an Punkt B auseinander.丨Bildquelle: Nature, 163, 82 (1949).

In den frühen Tagen der Entwicklung von Teilchenbeschleunigern war diese Methode zur Aufnahme von Latexfotos der kosmischen Strahlung die wichtigste experimentelle Methode zur Untersuchung der Physik hochenergetischer Teilchen. Rosemary war von ihrer Entdeckung überzeugt und das Forschungsteam führte eine intensive Analysephase durch. „Viele Messungen und Berechnungen mussten durchgeführt werden, bevor diese Entdeckung veröffentlicht werden konnte. Wir wussten, dass es sich um eine wichtige Entdeckung handelte, also arbeiteten wir sehr hart, um alles so schnell wie möglich zu erledigen“, sagte Rosemary.

Rosemary und andere verfassten in kurzer Zeit drei Artikel, von denen zwei im Januar 1949 in der Zeitschrift „Nature“ veröffentlicht wurden. Rosemary war die erste Autorin und verwendete ihren Nachnamen Brown.(R. Braun). Dies entspricht der Konvention der alphabetischen Reihenfolge von Arbeiten zur Teilchenphysik und verdeutlicht ihren Hauptbeitrag zu dieser Arbeit. Und was erklärt dieses Ärgernis wirklich?θ-τ„Paradoxerweise haben Teilchenphysiker fast ein Jahrzehnt damit verbracht.

Brechen der Spiegelsymmetrie

Zuvor glaubte man allgemein, dass die Gesetze der Physik symmetrisch seien, was bedeutete, dass das Spiegelbild eines jeden physikalischen Prozesses auch ein möglicher physikalischer Prozess sei. Rosemarys Entdeckung weckte das Interesse von Wissenschaftlern, die begannen, sich eingehender mit der „Parität“ zu befassen – einer Symmetrie, die zuvor als grundlegende Eigenschaft der Natur galt.

In der Teilchenphysik wird Parität als Quantenzahl ausgedrückt, die das Verhalten eines Teilchens oder Feldes beschreibt, wenn die Koordinatenachse des Raumes umgekehrt wird. Die Gesamtparität wird durch Multiplikation der Paritätszahlen aller an den verschiedenen Prozessstufen beteiligten Partikel berechnet. Wenn die Parität erhalten bleibt, kann sich die Gesamtparität nicht ändern.

πDie Parität des Mesons ist -1, entdeckt von RosemaryτDas Meson zerfällt in den Endzustand von drei Mesonen, und seine Parität sollte ebenfalls -1 sein. AberθDie Parität des Endzustands eines zerfallenden Doppelmesons beträgt +1. Wenn die Parität erhalten bleibt, müssen die anfänglichen Partikel in den beiden Prozessen auch unterschiedliche Paritäten haben und daher unterschiedliche Partikeltypen sein. Aber keine Theorie kann erklären, warum zwei verschiedene Arten von Teilchen genau die gleiche Masse haben. das ist berühmtθ-τGeheimnis.

Zu dieser Zeit traten viele Kooperationsgruppen in ihre Fußstapfen, studierten sorgfältig die Fotos der Wolkenkammer und schickten mit Wetterballons eine große Anzahl lichtempfindlicher Latexnegative in die Atmosphäre, um sie zu findenτAnzeichen von Mesonenzerfall. Bis 1953 hatten Physiker insgesamt 11 Fälle beobachtet. Lawrence Berkeley National Laboratory(Lawrence Berkeley National Laboratory)Der große Teilchenbeschleuniger Bevatron nahm 1954 den Betrieb auf und produzierte bis 1955 35 Exemplare. Große Teilchenbeschleuniger stellen neben der kosmischen Strahlung eine weitere wichtige Forschungsmethode für die Teilchenphysikforschung dar. Dabei führten die Wissenschaftler eine neue Namenskonvention ein: Die ursprünglich entdeckten exotischen Teilchen wurden K-Mesonen genanntθUndτbeziehen Sie sich dann auf den Zerfall auf zwei bzw. dreiπDas Muster der Mesonen.

Durch genauere Messungen wurde bestätigt, dass die Massen der beiden Arten von K-Mesonen tatsächlich gleich sindθ-τDas Geheimnis wird noch verwirrender. Im April 1956 hielten Teilchenphysiker ein Treffen in Rochester, New York, ab, um das K-Meson und mehrere andere rätselhafte und exotische Teilchen zu diskutieren, die in dieser Zeit entdeckt worden waren. Obwohl Rosemary und Powell bei dem Treffen nicht anwesend waren, sagte Gell-Mann(Murray Gell-Mann, 1929-2019)Feynman(Richard Feynman, 1918-1988)An dem Treffen nahmen mehrere herausragende Wissenschaftler teil. Im Gedenken an Gell-Mann, Feynman und den Experimentator Martin Block(Martin Block, 1925-2016)Block lebte in einem Raum und fragte ihn: „Was ist, wenn die Parität nicht gewahrt bleibt? θUndτKann es nicht dasselbe Teilchen sein? „Feynman hat dieses Thema bei dem Treffen ebenfalls angesprochen.

Ein Foto aus der Fakultät für Physik der Universität Bristol. Auf dem Foto lehnt Rosemary auf der linken Seite der hinteren Reihe.丨Quelle: University of Bristol

Es stellt sich heraus, dass niemand die Paritätserhaltung tatsächlich beweisen kann, insbesondere bei schwachen Wechselwirkungen wie dem Zerfall. Li Zhengdao und Yang Zhenning nahmen ebenfalls an diesem Treffen teil. Nach sorgfältiger Recherche stellten sie fest, dass die Erhaltung der Parität bei schwachen Wechselwirkungen tatsächlich nicht getestet wurde. Im Oktober desselben Jahres veröffentlichten sie einen Artikel und schlugen mehrere spezifische Experimente vor. um zu prüfen, ob die Parität erhalten bleibt. Zunächst wurde ihre Arbeit in Frage gestellt, weil die Paritätserhaltung seit langem die Standardansicht der meisten Physiker war, die sogar mit einer Quote von 50 gegen die Nichterhaltung der Parität wettete. Im Jahr 1956 diskutierte Li Zhengdao verwandte Themen mit Wu Jianxiong, einem der damals weltweit angesehensten Experten auf dem Gebiet des Verfalls, und Wu Jianxiong beschloss, Experimente durchzuführen. Aufgrund der Bedeutung des Experiments verzichtete Wu Jianxiong auf seine geplante Reise zurück nach China, um Verwandte zu besuchen, und organisierte ein Experimentierteam, um mit der detaillierten experimentellen Arbeit zu beginnen. Durch die Beobachtung des Beta-Zerfalls von Kobalt-60 stellten sie fest, dass die meisten der endgültigen Elektronen in der entgegengesetzten Richtung zur Polarisation von Kobalt-60 emittiert wurden. In Wus Experiment polarisierte das starke Magnetfeld die Drehimpulsrichtung, also die Spinrichtung, und schränkte die Bewegungsrichtung des endgültigen Elektrons im Prinzip nicht ein. Wenn also die Parität erhalten bleibt, befindet sich das Elektron im Endzustand, also das emittierteβDie Strahlrichtungen sollten mit gleicher Wahrscheinlichkeit in der positiven und negativen Richtung der Kernpolarisationsrichtung liegen. Das Experiment detektierte nur Strahlen in entgegengesetzter Richtung zur Kernpolarisation, sodass sie zu dem Schluss kamen, dass die Paritätserhaltung bei schwachen Wechselwirkungen nicht zutrifft.(Anmerkung des Herausgebers: Siehe „Paritäts-Nichterhaltung und Wus Experiment, das Mittelschüler verstehen können“)Seitdem folgten weitere experimentelle Ergebnisse, bis die Nichterhaltung der Parität unter schwachen Wechselwirkungen nicht mehr zu leugnen war.

Die Antwort auf dieses Rätsel ist, dass die beiden K-Mesonen das gleiche Teilchen sind und Parität keine grundlegende Symmetrie schwacher Wechselwirkungen in der Natur ist.

Wu Jianxiongs Experiment war sehr clever. Sie konnte auch beweisen, dass die Natur eine andere Symmetrie bricht – C(Ladungskonjugation)Symmetrie bedeutet, dass der Prozess auf die gleiche Weise ablaufen sollte, wenn alle an der Wechselwirkung beteiligten Teilchen durch ihre Antiteilchen ersetzt würden. Diese Entdeckung machte den Physikern klar, dass nicht nur die Paritätserhaltung, sondern auch andere angenommene Symmetrien in der Natur genau getestet werden müssen. „CP“ – die Kombination aus Ladungserhaltung und Paritätserhaltung – galt damals als etabliert, wurde jedoch später im K-Mesonenzerfall-Experiment von 1964 nachweislich zerstört. Die CP-Verletzung hat eine tiefere Bedeutung als die Paritätsverletzung und kann mit der Tatsache zusammenhängen, dass es im Universum mehr Materie als Antimaterie gibt.

Die Abkehr von der Paritätserhaltung hatte tiefgreifende Auswirkungen auf die Entwicklung der Teilchenphysik und insbesondere des Grundkonzepts der Symmetrie. Auch heute noch nutzen Physiker verschiedene Experimente, um die Symmetriebrechung beim Teilchenzerfall zu untersuchen, und sind auf der Suche nach neuer Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik.

Der „Matilda“-Effekt

Rosemarys Geschichte wirft die Frage auf: Warum haben so wenige Menschen von ihr gehört? Ein Grund könnte sein, dass die Gleichstellung der Geschlechter in den meisten physikalischen Fakultäten und sogar in der wissenschaftlichen Gemeinschaft ihrer Zeit schwierig zu erreichen war. Eine Ausnahme bildet Powells Labor. Während des Krieges, als Männer zum Militärdienst verpflichtet waren, wurden in Powells Labor neue wissenschaftliche Methoden entwickelt: die Bildgebung kosmischer Strahlung mithilfe der Latex-Lichtempfindlichkeitstechnologie, ein arbeitsintensives Unterfangen. Powells Labor sammelte eine große Anzahl von Fotos der kosmischen Strahlung und er mietete viele Scanner.(die meisten davon sind Frauen)Sorgfältiges Durchsuchen der Fotos, um einem Physiker alles Ungewöhnliche oder Interessante zur weiteren Analyse zu bringen.

Rosemary Fowler ist keine Scannerin. Sie war eine der wenigen Frauen, die zum Doktoratsstudium in Physik eingeladen wurden, und erhielt einen erstklassigen Bachelor-Abschluss – eine ungewöhnliche Leistung für jeden, besonders damals. Rosemary zeigte nach ihrem Schulbesuch ein herausragendes Talent in den Naturwissenschaften, war aber nicht besonders am Schreiben interessiert. Dies könnte damit zusammenhängen, dass ihr Vater ein Ingenieur der britischen Royal Navy war. Sie war das einzige Mädchen in ihrer Klasse, das das College besuchte, und wurde schließlich Powells Doktorandin mit einem wunderschönen Zeugnis.

Da sie klug und entscheidungsfreudig war, nahm sie sich nach ihrem Eintritt in das Team nur zwei Tage frei und begann im Juni 1947 mit der Arbeit. Als sie den Zerfall des „Tau“-Mesons entdeckte, war die erste Person, der sie davon erzählte, ihr Kommilitone Peter Fowler.（Peter H. Fowler）. „Wir verbrachten einige Zeit mit Beobachten und Nachdenken und genossen den Moment der Entdeckung. Dann erzählte ich es anderen“, sagte sie. Kernphysik-Pionier Ernest Rutherford(Ernest Rutherford, 1871-1937)Enkel, Quantenphysik-Pionier Ralph Fowler(Ralph H. Fowler, 1889-1944; Diracs Mentor)Der Sohn von Peter Fowler war ein anerkannter brillanter junger Physiker. Er war drei Jahre älter als Rosemary, kam aber ein Jahr nach ihr zur Schule, sein Studium wurde durch den Militärdienst unterbrochen. Die beiden heirateten 1949, woraufhin Rosemary beschloss, die akademische Laufbahn zu verlassen. Mit Rosemarys tatkräftiger Unterstützung startete ihr Ehemann Peter Fowler eine herausragende Karriere und erzielte wichtige Ergebnisse bei der experimentellen Entdeckung kosmischer Strahlung.

Auf die Frage, warum sie ihre Karriere im akademischen Bereich aufgegeben habe, ohne danach ihre Doktorarbeit abgeschlossen zu haben, antwortete Rosemary pragmatisch. Da sie in einer schwierigen Zeit der Lebensmittel- und Wohnungsknappheit lebten, brauchten ihre drei Töchter Pflege und Unterstützung, weshalb sie beschloss, Peter Fowler weiterhin in der Physik arbeiten zu lassen. Sie hielt dies für die beste Regelung. Rosemarys Tochter Mary Fowler(Mary Fowler)Erinnert sich: „Als Kind wollte ich Physiker werden, beide Eltern waren Physiker und Physik und Forschung waren das Gesprächsthema am Küchentisch – wir hatten alle eine Leidenschaft für Naturwissenschaften und Mathematik.“ Tun Sie das.“ Heute ist sie eine angesehene Geophysikerin und ehemalige Präsidentin des Darwin College in Cambridge. Da Rosemary Fowler nur eingeschränkt mobil war, fand die Zeremonie zur Verleihung des Abschlusses am Darwin College in Cambridge statt.

Im Laufe der Zeit wurden Rosemarys Beiträge in verschiedenen Veröffentlichungen oft ihrem Ehemann oder Powell zugeschrieben. Aber Powell würdigte ausdrücklich Rosemarys wichtigen Beitrag zur Entdeckung. Aber es scheint ein Beispiel für den „Matilda“-Effekt zu sein, bei dem die Beiträge weiblicher Wissenschaftler oft übersehen oder ihren männlichen Kollegen zugeschrieben werden.[Der Matilda-Effekt ist nach der amerikanischen Schriftstellerin und Aktivistin Matilda Joslyn Gage benannt. 1870 schrieb sie ein Buch mit dem Titel „Frau als Erfinderin“ (Die Frau als Erfinderin) Broschüre, in der die damals weit verbreitete Ansicht verurteilt wurde, dass es Frauen an Kreativität und wissenschaftlichem Talent mangele. ]

Rosemary ist nicht die einzige Wissenschaftlerin, deren Beiträge unterbewertet wurden. Powell erhielt 1950 den Nobelpreis für Physik für die Entdeckung von Pionen mithilfe der lichtempfindlichen Latextechnologie, doch die Erfinderin der Technologie, die österreichische Physikerin Marietta Blau,（Marietta Blau，1894-1970）Ihr Beitrag wurde ignoriert, obwohl sie später von der indischen Physikerin Biba Chaudhry mehrfach als Nobelpreiskandidatin nominiert wurde(Bibha Choudhuri, 1913-1991)Beweise für Pionen tauchten auch in Artikeln auf, die während des Zweiten Weltkriegs in „Nature“ veröffentlicht wurden, und ihre Arbeit ist noch weniger bekannt als Blaus …

Jetzt, 75 Jahre nach Rosemarys Entdeckung, wurde ihr die Ehrendoktorwürde verliehen, was beweist, dass sich die Menschen immer an ihren wichtigen Beitrag erinnern werden.

Referenzen

[1] https://www.nature.com/articles/d41586-024-00109-5.

[2] https://www.bristol.ac.uk/news/2024/july/female-physics-pioneer-honoured.html.

[3] https://www.nature.com/articles/163082a0

[4]https://www.nature.com/articles/163047a0

[5] https://www.independent.co.uk/news/obituaries/obituary-professor-peter-fowler-1352277.html