uutiset

Äskettäin Bristolin yliopisto myönsi kunniatohtorin arvon 98-vuotiaalle Rosemary Fowlerille Tohtorintutkintonsa aikana hän löysi hiukkasten hajoamisprosessin, jota pidettiin tuolloin omituisena. laukaista) fysiikan uudelleenkirjoittaminen." "Tapahtumien laki"; se on myös syy, joka sai Li Zhengdaon ja Yang Zhenningin pohtimaan, säilyykö pariteetti. Mutta Rosemary Fowler jätti yliopistomaailman perhesyistä, ja hänen erinomaisesta työstään on harvoin mainittu sen jälkeen. Nyt hänen alma maternsa tunnustaa hänen panoksensa maailman puolesta.

Käännetty |. Liu Hang

75 vuotta sitten näennäisesti tuntematon löytö hiukkasfysiikassa sai fyysikot pohtimaan uudelleen luonnon perustavanlaatuisimpia symmetrioita. Sen löytäjä on 98-vuotias Rosemary Fowler(Rosemary Fowler, 1926-)Rouva, jolle alma mater, Bristolin yliopisto, myönsi äskettäin luonnontieteiden kunniatohtorin tutkinnon, oli luopunut tohtorin tutkinnosta perhesyistä. Paul Nurse, Bristolin yliopiston varakansleri ja Nobel-palkinnon voittaja(Paul Nurse)Hänelle pidettiin henkilökohtaisesti tutkinnon luovutustilaisuus. Juuri Bristolissa hänen löytönsä K-mesonin hajoamisesta kolmeksi π-mesoniksi johti lopulta vallankumoukseen hiukkasfysiikan teoriassa;LuontoLehti kuvaili hänen löytöään "tapahtumaksi, joka kirjoittaa uudelleen fysiikan lait".

Rosemary Fowlerille myönnettiin kunniatohtorin arvo. Lähde: davidjohnsonphotographic.co.uk

Kosmisen säteiden löytäminen

Toista maailmansotaa edeltävät ja sen jälkeiset vuosikymmenet olivat hiukkasten löytämisen kukoistavaa aikaa. 1930-luvulla neutronien ja myonien kehittyessä(Toisen sukupolven leptonit)ja ensimmäisen antimatterihiukkasen, positroni, löytö, subatomisten hiukkasten luettelo on laajentunut paljon elektronien ja protonien ulkopuolelle. Bristolin yliopistolla oli tuolloin maailman johtava kosmisen säteen fysiikan tiimi Cecil Powellin johdolla.(Cecil Powell, 1903-1969)Professorin johdolla laboratorio kehitti tekniikkaa valoherkkien kalvojen käyttämiseksi kosmisten säteiden tutkimiseen. Ennen tätä lateksin alhaisesta herkkyydestä johtuen se pystyi tallentamaan vain joidenkin hiukkasten jäljet, joilla oli alhaisempi energia ja korkeampi ionisaatio. Suuremman energian ja alhaisemman ionisoinnin omaavia hiukkasia oli helppo jättää huomiotta, mikä vähensi uusien hiukkasten löytämisen mahdollisuutta. Powell ja hänen työtoverinsa paransivat lateksin herkkyyttä ja lisäsivät lateksin paksuutta aiheuttaen varautuneiden hiukkasten ionisoitumisen, kun ne kulkevat lateksin läpi kehityksen jälkeen, ne näyttävät mustina rakeina ja jättävät jälkiä. Powellin kokeellinen ryhmä työskentelee kovasti löytääkseen uusia alkuainehiukkasia kosmisista säteistä.

Vuonna 1947 Cecil Powell vahvistiπMesonien olemassaolo, mesoniperheen kevyimmät hiukkaset. Jo vuonna 1934 japanilainen fyysikko Hideki Yukawa(Hideki Yukawa, 1907-1981)Se ennustettiinπmeson. Yukawa oletti, että protonit ja neutronit houkuttelevat toisiaan tietyn kentän kauttaπMesonit, jotka toimivat vahvan ydinvoiman kantajina – vahvan vuorovaikutuksen jäännösvuorovaikutuksena.(Mesonit koostuvat positiivisten ja negatiivisten kvarkkien parista, ja kvarkkien välinen voimakas vuorovaikutus välittyy gluonien kautta.)

Joulukuussa 1947 George Rochester Manchesterin yliopistosta, Englannista(George Rochester, 1908-2001)ja Clifford Butler(Clifford Butler, 1922-1999)Mesonitutkimuksen siirtäminen uuteen vaiheeseen. He analysoivat huolellisesti 5 000 pilvikammion valokuvaa ja löysivät nsθoutoja hiukkasia – sähköisesti neutraalia mesonia, joka hajoaa kahtiaπmeson. Muutamaa kuukautta myöhemmin Rosemary löysi hiukkasia, jotka olivat hyvin samanlaisia ​​kuin theta-hiukkaset.

Vuonna 1948 22-vuotias Rosemary oli jatko-opiskelija Cecil Powellin ryhmässä. Hänen tutkimustyönsä on tarkkailla kevyitä lateksikuvia, jotka altistuvat kosmisille säteille Jungfraujochin korkealla laboratoriossa Sveitsissä, ja tutkia korkeaenergisten hiukkasten reaktioprosessia analysoimalla lateksikuvien hiukkasjäljet. Hän löysi jotain epätavallista - yksi hajosi kolmeenπMesonin eksoottinen hiukkanen. Hän muisteli myöhemmin: "Tiesin heti, että tämä oli uusi löytö ja että se oli merkittävää. Näimme tuloksia, joita emme olleet koskaan ennen nähneet." hiukkasille, jotka silloin tunnetaan nimelläτmeson.

Hämmentävää, tau-mesonin pitäisi olla se, jonka Manchester-joukkue oli nähnyt aiemminθPeilikuva hiukkasesta, joka näyttää kaikilta osin samalta: sama massa, sama spin jne. Mutta ne hajoavat täysin eri tavoilla:τMeson hajoaa kolmeen osaanπmeson jaθhajota kahtiaπmeson. Rosemaryn löytö näyttää rikkovan "peilisymmetrian" tai "pariteettisymmetrian", jossa kahdella prosessilla on vastakkaiset pariteetit.

Rosemary Fowlerin löytämä "tau" kosminen säteilyrata. "τ mesoni" hajoaa pisteessä A pisteeseen Aπ++π++π-，π-Sitten se hajoaa pisteessä B.丨Kuvan lähde: Nature, 163, 82(1949).

Hiukkaskiihdyttimien kehityksen alkuaikoina tämä kosmisten säteiden lateksikuvien ottaminen oli tärkein kokeellinen menetelmä korkeaenergisen hiukkasfysiikan tutkimiseen. Rosemary oli vakuuttunut löydöstään, ja tutkimusryhmä suoritti intensiivisen analyysijakson. "Paljon mittauksia ja laskelmia piti tehdä ennen kuin tämä löytö voitiin julkaista. Tiesimme, että tämä oli tärkeä löytö, joten teimme kovasti töitä saadaksemme kaiken valmiiksi mahdollisimman nopeasti", Rosemary sanoi.

Rosemary ja muut kirjoittivat kolme artikkelia lyhyessä ajassa, joista kaksi julkaistiin Nature-lehdessä tammikuussa 1949. Rosemary oli ensimmäinen kirjoittaja ja käytti sukunimeään Brown.(R. Ruskea). Tämä on hiukkasfysiikan papereiden aakkosjärjestyksen yleissopimuksen mukainen ja havainnollistaa hänen suurta panosta tähän työhön. Ja mikä todella selittää tämän ärsyttävän "θ-τ"Paradoksi, hiukkasfyysikot käyttivät lähes vuosikymmenen.

Peilin symmetrian rikkoutuminen

Ennen tätä uskottiin yleisesti, että fysiikan lait ovat symmetrisiä, mikä tarkoittaa, että minkä tahansa fyysisen prosessin peilikuva oli myös mahdollinen fyysinen prosessi. Rosemaryn löytö herätti tutkijoiden kiinnostuksen, ja he alkoivat tutkia syvempää "pariteettia" - symmetriaa, jota oli aiemmin pidetty luonnon perustavanlaatuisena ominaisuutena.

Hiukkasfysiikassa pariteetti ilmaistaan ​​kvanttilukuna, joka kuvaa hiukkasen tai kentän käyttäytymistä avaruuden koordinaattiakselin käänteessä. Kokonaispariteetti lasketaan kertomalla kaikkien prosessin eri vaiheissa mukana olevien hiukkasten pariteettiluvut. Jos pariteetti säilyy, kokonaispariteetti ei voi muuttua.

πMesonin pariteetti on -1, jonka Rosemary löysiτMesoni hajoaa kolmen mesonin lopulliseen tilaan, ja sen pariteetin tulisi myös olla -1. muttaθHajoavan kaksoismesonin lopputilan pariteetti on +1. Jos pariteetti säilyy, niin kahden prosessin alkuhiukkasilla on myös oltava eri pariteetit ja siksi niiden on oltava erityyppisiä hiukkasia. Mutta mikään teoria ei voi selittää, miksi kahdella eri hiukkastyypillä on täsmälleen sama massa. tämä on kuuluisaθ-τmysteeri.

Tuolloin monet yhteistyöryhmät seurasivat hänen jalanjäljänsä, tutkien huolellisesti pilvikammion valokuvia ja käyttämällä sääpalloja lähettääkseen ilmakehään suuren määrän valoherkkiä lateksinegatiivija löytääkseenτMerkkejä mesonin hajoamisesta. Vuoteen 1953 mennessä fyysikot olivat havainneet yhteensä 11 tapausta. Lawrence Berkeleyn kansallinen laboratorio(Lawrence Berkeley National Laboratory)Suuri hiukkaskiihdytin Bevatron aloitti toimintansa vuonna 1954 ja tuotti 35 kappaletta vuoteen 1955 mennessä. Suuret hiukkaskiihdyttimet ovat kosmisten säteiden ohella toinen tärkeä tutkimusmenetelmä hiukkasfysiikan tutkimukselle. Prosessissa tutkijat ottivat käyttöön uuden nimeämiskäytännön: alun perin löydettyjä eksoottisia hiukkasia kutsuttiin K-mesoneiksi, kun taasθjaτviittaa sitten vaimenemiseen kahteen ja kolmeen vastaavastiπMesonien malli.

Tarkemmilla mittauksilla vahvistettiin, että kahden K-mesonin massat ovat todellakin samat, mikä tekeeθ-τMysteeri muuttuu vielä hämmentävämmäksi. Huhtikuussa 1956 hiukkasfyysikot pitivät kokouksen Rochesterissa, New Yorkissa keskustellakseen K-mesonista ja useista muista hämmentävästä ja eksoottisista hiukkasista, jotka oli löydetty tuona aikana. Vaikka Rosemary ja Powell eivät olleet läsnä kokouksessa, Gell-Mann(Murray Gell-Mann, 1929-2019)Feynman(Richard Feynman, 1918-1988)Kokoukseen osallistui useita merkittäviä tiedemiehiä. Gell-Mannin muistoksi Feynman ja kokeilija Martin Block(Martin Block, 1925-2016)Asuessaan huoneessa Block kysyi häneltä: ”Entä jos pariteetti ei säily? θjaτEikö se voi olla sama hiukkanen? "Feynman otti myös tämän asian esille kokouksessa.

Kuva otettu Bristolin yliopiston fysiikan koulusta. Kuvassa, takarivin vasemmalla puolella, nojaten pylvääseen, on Rosemary. Lähde: Bristolin yliopisto

Osoittautuu, että kukaan ei voi itse asiassa todistaa pariteetin säilymistä, etenkään heikoissa vuorovaikutuksissa, kuten rappeutuminen. Li Zhengdao ja Yang Zhenning osallistuivat myös tähän tapaamiseen Huolellisen tutkimuksen jälkeen, että pariteetin säilymistä heikoissa vuorovaikutuksissa ei ole testattu. Saman vuoden lokakuussa he julkaisivat paperin ja ehdottivat useita erityisiä kokeita. tarkistaaksesi, onko pariteetti säilynyt. Aluksi heidän artikkelinsa kyseenalaistettiin, koska pariteetin säilyttäminen on ollut useimpien fyysikkojen pitkäaikainen oletusnäkemys, ja Feynman vetosi jopa 50-kertaisesti pariteetin säilyttämättömyyttä vastaan. Vuonna 1956 Li Zhengdao keskusteli asiaan liittyvistä kysymyksistä Wu Jianxiongin kanssa, joka oli tuolloin yksi maailman arvovaltaisimmista rappeutumisen asiantuntijoista, ja Wu Jianxiong päätti suorittaa kokeita. Kokeen tärkeyden vuoksi Wu Jianxiong luopui suunnitellusta matkastaan ​​takaisin Kiinaan sukulaisten luona ja järjesti kokeellisen ryhmän aloittamaan yksityiskohtaisen kokeellisen työn. Tarkkailemalla koboltti-60:n beeta-hajoamista he havaitsivat, että suurin osa lopullisista elektroneista säteili koboltti-60:n polarisaatiota vastakkaiseen suuntaan. Wun kokeessa voimakas magneettikenttä polarisoi kulmamomentin suunnan eli spin-suunnan, eikä periaatteessa rajoita lopullisen elektronin liikesuuntaa. Siksi, jos pariteetti säilyy, niin lopputilaelektroni eli emittoitunutβSäteen suuntien tulee olla yhtä todennäköisiä ydinpolarisaation suunnan positiivisissa ja negatiivisissa suunnissa. Kokeessa havaittiin vain ydinpolarisaatioon nähden vastakkaisia ​​säteitä, joten he saattoivat päätellä, että pariteetin säilyminen ei pidä paikkaansa heikossa vuorovaikutuksessa.(Toimittajan huomautus: Katso "Pariteetin säilyttäminen ja Wun kokeilu, jonka yläkoululaiset voivat ymmärtää")Sen jälkeen on seurannut lisää kokeellisia tuloksia, kunnes pariteetin säilyminen heikoilla vuorovaikutuksilla oli kiistaton.

Vastaus tähän palapeliin on, että kaksi K-mesonia ovat sama hiukkanen, eikä pariteetti ole luonnon heikkojen vuorovaikutusten perustavanlaatuinen symmetria.

Wu Jianxiongin kokeilu oli erittäin nokkela. Hän onnistui myös todistamaan, että luonto rikkoo toisen symmetrian - C(latauskonjugaatio)Symmetria, eli jos kaikki vuorovaikutuksessa olevat hiukkaset korvattaisiin niiden antihiukkasilla, prosessin pitäisi tapahtua samalla tavalla. Tämä löytö sai fyysikot ymmärtämään, että paitsi pariteetin säilyminen, myös muut luonnossa oletetut symmetriat on testattava tarkasti. "CP" - varauksen säilymisen ja pariteetin säilymisen yhdistelmä, katsottiin tuolloin vakiintuneeksi, mutta sen todettiin myöhemmin tuhoutuneen vuoden 1964 K-mesonin hajoamiskokeessa. CP-rikkomuksella on syvempi merkitys kuin pariteettirikkomuksella, ja se voi liittyä siihen, että universumissa on enemmän ainetta kuin antimateriaa.

Pariteetin säilyttämisestä luopuminen on vaikuttanut syvästi fyysikoihin. Nykyään fyysikot käyttävät edelleen erilaisia ​​kokeita tutkiakseen symmetrian murtumista hiukkasten hajoamisessa ja etsivät uutta fysiikkaa hiukkasfysiikan vakiomallin lisäksi.

"Matilda" efekti

Rosemaryn tarina herättää kysymyksen: miksi niin harvat ihmiset ovat kuulleet hänestä? Yksi syy voi olla, että sukupuolten tasa-arvoa oli vaikea saavuttaa useimmilla fysiikan laitoksilla ja jopa hänen aikansa tiedeyhteisössä. Powellin laboratorio on poikkeus. Sodan aikana, kun miehiä vaadittiin palvelemaan armeijassa, Powellin laboratoriossa kehitettiin uusia tieteellisiä menetelmiä: kosmisen säteilyn kuvantamista lateksivaloherkkyysteknologialla, työvaltainen yritys. Powellin laboratorio keräsi suuren määrän kosmisen säteilyn valokuvia, ja hän palkkasi monia skannereita.(useimmat heistä ovat naisia)Huolellisesti selaamalla valokuvia, tuomalla mitä tahansa epätavallista tai mielenkiintoista fyysikolle lisäanalyysiä varten.

Rosemary Fowler ei ole skanneri. Hän oli yksi harvoista naisista, jotka kutsuttiin opiskelemaan fysiikan tohtoriksi, ja hän sai ensimmäisen luokan kandidaatin tutkinnon - mikä oli epätavallinen saavutus kenellekään, varsinkin noina aikoina. Rosemary osoitti erinomaista lahjakkuutta tieteen jälkeen. Hän oli hyvä matematiikassa, mutta ei ollut kovin kiinnostunut kirjoittamisesta. Hänestä tuli luokkansa ainoa tyttö, joka tuli yliopistoon, ja lopulta hänestä tuli Powellin jatko-opiskelija kauniilla opintosuoritusotteella.

Älykäs ja päättäväinen hän piti vain kaksi päivää vapaata liittyessään tiimiin ja aloitti työt kesäkuussa 1947. Kun hän havaitsi "tau"-mesonin hajoamisen, ensimmäinen henkilö, jonka hän kertoi, oli hänen tohtorikouluttajatoverinsa Peter Fowler.(Peter H. Fowler). "Vietimme jonkin aikaa tarkkaillen ja miettien, nauttien löytöhetkestä. Sitten kerroin muille", hän sanoi. Ydinfysiikan edelläkävijä Ernest Rutherford(Ernest Rutherford, 1871-1937)pojanpoika, kvanttifysiikan pioneeri Ralph Fowler(Ralph H. Fowler, 1889-1944; Diracin mentori)Hänen poikansa Peter Fowler oli tunnustettu loistava nuori fyysikko. Hän oli kolme vuotta vanhempi kuin Rosemary, mutta meni kouluun vuosi hänen jälkeensä, ja hänen opinnot keskeyttivät asepalveluksen. He menivät naimisiin vuonna 1949, jolloin Rosemary päätti jättää korkeakoulun. Rosemaryn vahvalla tuella hänen miehensä Peter Fowler jatkoi erittäin ansiokasta uraa saavuttaen tärkeitä tuloksia kosmisten säteiden kokeellisessa havaitsemisessa.

Kun Rosemarylta kysyttiin, miksi hän jätti akateemisen uran suorittamatta tohtorintutkintoa sen jälkeen, Rosemaryn vastaus oli pragmaattinen. Eläessään vaikealla ruoka- ja asuntopulan aikakaudella hänen kolme tytärtään tarvitsivat hoitoa ja tukea, joten hän päätti antaa Peter Fowlerin jatkaa työskentelyä fysiikan parissa. Hänen mielestään tämä oli paras järjestely. Rosemaryn tytär Mary Fowler(Mary Fowler)Muistelee: ”Halusin lapsena fyysikiksi, ja molemmat vanhemmat olivat fyysikkoja, ja fysiikka ja tutkimus vaikuttivat meihin kaikkiin – olimme kaikki intohimoisia luonnontieteistä ja matematiikasta tee se." Hän on nyt arvostettu geofyysikko ja Cambridgen Darwin Collegen entinen presidentti. Koska Rosemary Fowlerilla oli rajoitettu liikkuvuus, tutkinnon jakotilaisuus pidettiin Darwin Collegessa Cambridgessa.

Ajan myötä eri julkaisuissa Rosemaryn panokset liitettiin usein hänen aviomieheensä tai Powelliin. Mutta Powell tunnusti nimenomaisesti Rosemaryn suuren panoksen löydössä. Mutta se näyttää olevan esimerkki "Matilda"-ilmiöstä, jossa naispuolisten tiedemiesten panokset jäävät usein huomiotta tai syytetään heidän miespuolisista vastineistaan.[Matilda-ilmiö on nimetty amerikkalaisen kirjailijan ja aktivistin Matilda Joslyn Gagen mukaan. Vuonna 1870 hän kirjoitti kirjan nimeltä "Nainen keksijänä" (Nainen keksijänä) pamfletti, jossa tuomittiin tuolloin laajalti levinnyt näkemys, jonka mukaan naisilta puuttui luovuus ja tieteellinen lahjakkuus. ]

Rosemary ei ole ainoa tiedemies, jonka panoksia on aliarvostettu. Powell voitti vuoden 1950 fysiikan Nobel-palkinnon pionien löytämisestä valoherkkää lateksiteknologiaa käyttäen, mutta tekniikan keksijä, itävaltalainen fyysikko Marietta Blau,(Marietta Blau, 1894-1970)Hänen panoksensa jätettiin huomiotta, vaikka intialainen fyysikko Biba Chaudhry nimitti hänet myöhemmin Nobel-palkinnon ehdokkaaksi(Bibha Choudhuri, 1913-1991)Todisteita pioneista esiintyi myös Nature-lehdessä toisen maailmansodan aikana julkaistuissa julkaisuissa, ja hänen työnsä tunnetaan vielä vähemmän kuin Blaun...

Nyt, 75 vuotta Rosemaryn löydön jälkeen, hänelle on myönnetty kunniatohtorin arvo, mikä osoittaa, että ihmiset muistavat aina hänen tärkeän panoksensa.

Viitteet

[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