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Récemment, l'Université de Bristol au Royaume-Uni a décerné un doctorat honorifique à Rosemary Fowler, 98 ans, au cours de ses études de doctorat, elle a découvert un processus de désintégration des particules qui était alors considéré comme étrange. déclencheur) la réécriture de la physique. » « Loi des événements » ; c'est aussi la raison qui a poussé Li Zhengdao et Yang Zhenning à se demander si la parité était conservée. Mais Rosemary Fowler a quitté le monde universitaire pour des raisons familiales, et son travail exceptionnel a rarement été mentionné depuis. Aujourd’hui, son alma mater reconnaît sa contribution au nom du monde.

Compilé | Liu Hang

Il y a 75 ans, une découverte apparemment inconnue en physique des particules a amené les physiciens à repenser les symétries les plus fondamentales de la nature. Sa découvreuse - Rosemary Fowler, 98 ans(Rosemary Fowler, 1926-)Mme, qui a récemment reçu un doctorat honorifique en sciences de son alma mater, l'Université de Bristol, avait renoncé à son doctorat pour des raisons familiales. Paul Nurse, vice-chancelier de l'Université de Bristol et lauréat du prix Nobel(Paul Nurse)Une cérémonie de remise de diplômes a eu lieu pour elle en personne. C'est à Bristol que sa découverte de la désintégration d'un méson K en trois mésons π a finalement conduit à une révolution dans la théorie de la physique des particules ;NatureLe magazine décrit sa découverte comme « un événement qui réécrit les lois de la physique ».

Rosemary Fowler a reçu un doctorat honorifique | Source : davidjohnsonphotographic.co.uk

Découverte des rayons cosmiques

Les décennies qui ont précédé et suivi la Seconde Guerre mondiale ont été une période florissante pour la découverte de particules. Dans les années 1930, avec le développement des neutrons et des muons(Leptons de deuxième génération)et la découverte de la première particule d'antimatière, le positron, la liste des particules subatomiques s'est élargie bien au-delà des électrons et des protons. À cette époque, l'Université de Bristol disposait de la première équipe mondiale de physique des rayons cosmiques, sous la direction de Cecil Powell.(Cecil Powell, 1903-1969)Sous la direction du professeur, le laboratoire a perfectionné la technologie d'utilisation de films photosensibles pour étudier les rayons cosmiques. Avant cela, en raison de la faible sensibilité du latex, il ne pouvait enregistrer que les traces de certaines particules ayant une énergie plus faible et une ionisation plus élevée. Il était facile de manquer des particules ayant une énergie plus élevée et une ionisation plus faible, ce qui réduisait les chances de découvrir de nouvelles particules. Powell et ses collaborateurs ont amélioré la sensibilité du latex et augmenté son épaisseur, provoquant l'ionisation des particules chargées lors de leur passage à travers le latex. Après développement, elles apparaissent sous forme de grains noirs et laissent des traces. Le groupe expérimental de Powell travaille dur pour trouver de nouvelles particules élémentaires issues des rayons cosmiques.

En 1947, Cecil Powell confirmaitπL'existence de mésons, les particules les plus légères de la famille des mésons. Dès 1934, le physicien japonais Hideki Yukawa(Hideki Yukawa, 1907-1981)C'était préditπméson. Yukawa a émis l'hypothèse que les protons et les neutrons s'attirent à travers un certain champ.πLes mésons, qui servent de porteurs de la force nucléaire forte – l'interaction résiduelle de l'interaction forte.(Les mésons sont composés d'une paire de quarks positifs et négatifs, et la forte interaction entre les quarks est transmise par les gluons.)

En décembre 1947, George Rochester de l'Université de Manchester, Angleterre(George Rochester, 1908-2001)et Clifford Butler(Clifford Butler, 1922-1999)Pousser la recherche sur les mésons vers une nouvelle étape. Ils ont soigneusement analysé 5 000 photos de chambres à nuages ​​et ont découvert ce que l'on appelleθde particules étranges - un méson électriquement neutre qui se désintègre en deuxπméson. Quelques mois plus tard, Rosemary a découvert des particules très similaires aux particules thêta.

En 1948, Rosemary, 22 ans, était doctorante dans le groupe de Cecil Powell. Son travail de recherche consiste à observer les photos lumineuses en latex exposées aux rayons cosmiques dans le laboratoire à haute altitude du Jungfraujoch en Suisse, et à étudier le processus de réaction des particules à haute énergie en analysant les traces de particules sur les photos en latex. Elle a découvert quelque chose d'inhabituel - un s'est décomposé en troisπLa particule exotique du méson. Elle a rappelé plus tard : « J'ai immédiatement su qu'il s'agissait d'une nouvelle découverte et qu'elle était significative. Nous avons vu des résultats que nous n'avions jamais vus auparavant. » La piste qu'elle a observée a ensuite été qualifiée de « piste K » et était inconnue. pour les particules, alors connu sous le nomτméson.

Curieusement, le méson tau devrait être celui que l'équipe de Manchester avait déjà vu.θL’image miroir d’une particule qui semble identique en tous points : même masse, même spin, etc. Mais ils se décomposent de manières complètement différentes :τLe méson se désintègre en troisπméson, etθse décomposer en deuxπméson. La découverte de Rosemary semble briser la « symétrie miroir » ou la « symétrie de parité », où les deux processus ont des parités opposées.

La trace des rayons cosmiques « tau » découverte par Rosemary Fowler. Le "méson τ" se désintègre au point A jusqu'àπ++π++π-，π-Puis il se brise au point B.丨Source de l'image : Nature, 163, 82 (1949).

Au début du développement des accélérateurs de particules, cette méthode de prise de photos au latex des rayons cosmiques était la principale méthode expérimentale pour étudier la physique des particules de haute énergie. Rosemary était convaincue de sa découverte et l’équipe de recherche a mené une intense période d’analyse. "De nombreuses mesures et calculs ont dû être effectués avant que cette découverte puisse être publiée. Nous savions qu'il s'agissait d'une découverte importante, nous avons donc travaillé très dur pour que tout soit fait le plus rapidement possible", a déclaré Rosemary.

Rosemary et d'autres ont écrit trois articles en peu de temps, dont deux ont été publiés dans la revue "Nature" en janvier 1949. Rosemary a été la première auteure et a utilisé son nom de famille Brown.(R. Brown). Ceci est conforme à la convention de classement alphabétique des articles de physique des particules et illustre sa contribution majeure à ce travail. Et qu'est-ce qui explique vraiment cet énervant "θ-τ" Paradoxe, les physiciens des particules y ont passé près d'une décennie.

Rupture de la symétrie du miroir

Avant cela, on croyait généralement que les lois de la physique étaient symétriques, ce qui signifie que l’image miroir de tout processus physique était également un processus physique possible. La découverte de Rosemary a suscité l'intérêt des scientifiques, qui ont commencé à étudier plus en profondeur la « parité » - une symétrie qui était auparavant considérée comme une propriété fondamentale de la nature.

En physique des particules, la parité est exprimée sous la forme d'un nombre quantique qui décrit le comportement d'une particule ou d'un champ lorsque l'axe des coordonnées de l'espace est inversé. La parité totale est calculée en multipliant les numéros de parité de toutes les particules impliquées dans les différentes étapes du processus. Si la parité est conservée, alors la parité totale ne peut pas changer.

πLa parité du méson est de -1, découverte par RosemaryτLe méson se désintègre dans l'état final de trois mésons, et sa parité devrait également être de -1. maisθLa parité de l'état final d'un double méson en décomposition est de +1. Si la parité est conservée, alors les particules initiales dans les deux processus doivent également avoir des parités différentes et donc être des types de particules différents. Mais aucune théorie ne peut expliquer pourquoi deux types différents de particules ont exactement la même masse. c'est célèbreθ-τmystère.

À cette époque, de nombreux groupes de collaboration ont suivi ses traces, étudiant attentivement les photos de la chambre à nuages ​​et utilisant des ballons météorologiques pour envoyer un grand nombre de négatifs photosensibles en latex dans l'atmosphère afin de trouverτSignes de désintégration des mésons. En 1953, les physiciens avaient observé un total de 11 cas. Laboratoire national Lawrence Berkeley(Laboratoire national Lawrence Berkeley)Le grand accélérateur de particules Bevatron a commencé à fonctionner en 1954 et en a produit 35 exemplaires en 1955. Les grands accélérateurs de particules constituent une autre méthode de recherche importante, outre les rayons cosmiques, pour la recherche en physique des particules. Ce faisant, les scientifiques ont introduit une nouvelle convention de dénomination : les particules exotiques initialement découvertes étaient appelées mésons K, tandis queθetτpuis référez-vous à la désintégration à deux et trois respectivementπLe modèle des mésons.

Grâce à des mesures plus précises, il a été confirmé que les masses des deux types de mésons K sont bien les mêmes, ce qui fait queθ-τLe mystère devient encore plus confus. En avril 1956, des physiciens des particules se sont réunis à Rochester, New York, pour discuter du méson K et de plusieurs autres particules étranges et exotiques découvertes au cours de cette période. Bien que Rosemary et Powell n'étaient pas présents à la réunion, Gell-Mann(Murray Gell-Mann, 1929-2019)Feynman(Richard Feynman, 1918-1988)Plusieurs scientifiques exceptionnels ont assisté à la réunion. À la mémoire de Gell-Mann, Feynman et l'expérimentateur Martin Block(Martin Block, 1925-2016)Vivant dans une pièce, Block lui a demandé : « Et si la parité n’était pas conservée ? θetτNe peut-il pas s'agir de la même particule ? "Feynman a également soulevé cette question lors de la réunion.

Une photo prise à l'École de physique de l'Université de Bristol. Sur la photo, sur le côté gauche de la rangée du fond, appuyée contre un pilier, se trouve Rosemary.丨Source : Université de Bristol

Il s’avère que personne ne peut réellement prouver la conservation de la parité, en particulier dans les interactions faibles comme la désintégration. Li Zhengdao et Yang Zhenning ont également participé à cette réunion. Après des recherches approfondies, ils ont découvert qu'en fait, la question de savoir si la parité était conservée dans les interactions faibles n'avait pas été testée. En octobre de la même année, ils ont publié un article et proposé plusieurs expériences spécifiques. pour vérifier si la parité est conservée. Au début, leur article a été remis en question parce que la conservation de la parité est depuis longtemps le point de vue par défaut de la plupart des physiciens ; Feynman a même parié 50 fois contre la non-conservation de la parité. En 1956, Li Zhengdao a discuté de questions connexes avec Wu Jianxiong, l'un des experts les plus réputés au monde dans le domaine de la désintégration, et Wu Jianxiong a décidé de mener des expériences. En raison de l'importance de l'expérience, Wu Jianxiong a renoncé à son voyage prévu en Chine pour rendre visite à des parents et a organisé une équipe expérimentale pour commencer un travail expérimental détaillé. En observant la désintégration bêta du cobalt-60, ils ont constaté que la plupart des électrons finaux étaient émis dans la direction opposée à la polarisation du cobalt-60. Dans l'expérience de Wu, le champ magnétique puissant a polarisé la direction du moment cinétique, c'est-à-dire la direction du spin, et n'a en principe pas restreint la direction du mouvement de l'électron final. Par conséquent, si la parité est conservée, l’électron de l’état final, c’est-à-dire l’électron émisβLes directions des rayons devraient être également susceptibles d'être dans les directions positives et négatives de la direction de polarisation nucléaire. L'expérience n'a détecté que des rayons dans la direction opposée à la polarisation nucléaire, ce qui a permis de conclure que la conservation de la parité ne s'applique pas aux interactions faibles.(NDLR : voir « La non-conservation de la parité et l'expérience de Wu que les collégiens peuvent comprendre »)Depuis lors, d’autres résultats expérimentaux ont suivi, jusqu’à ce que la non-conservation de la parité sous interactions faibles soit indéniable.

La réponse à cette énigme est que les deux mésons K sont la même particule et que la parité n’est pas une symétrie fondamentale des interactions faibles dans la nature.

L'expérience de Wu Jianxiong était très intelligente. Elle a également réussi à prouver que la nature brise une autre symétrie : le C.(conjugaison de charge)Symétrie, ce qui signifie que si toutes les particules de l'interaction étaient remplacées par leurs antiparticules, le processus devrait se dérouler de la même manière. Cette découverte a fait comprendre aux physiciens que non seulement la conservation de la parité, mais aussi d’autres symétries hypothétiques dans la nature doivent être testées avec précision. "CP" - la combinaison de la conservation de la charge et de la conservation de la parité, était considérée comme établie à l'époque, mais il s'est avéré plus tard détruit lors de l'expérience de désintégration du méson K de 1964. La violation de CP a une signification plus profonde que la violation de parité, et elle peut être liée au fait qu'il y a plus de matière que d'antimatière dans l'univers.

L'abandon de la conservation de la parité a eu un impact profond sur les physiciens. La découverte de Rosemary a réécrit le chemin du développement de la physique des particules et la compréhension des particules élémentaires et de leurs interactions, en particulier le concept de base de la symétrie, a subi des changements bouleversants. Aujourd'hui, les physiciens utilisent encore diverses expériences pour étudier la rupture de symétrie dans la désintégration des particules, à la recherche d'une nouvelle physique au-delà du modèle standard de la physique des particules.

L'effet "Matilda"

L'histoire de Rosemary soulève la question suivante : pourquoi si peu de gens ont-ils entendu parler d'elle ? L’une des raisons pourrait être que l’égalité des sexes était difficile à réaliser dans la plupart des départements de physique et même dans la communauté scientifique de son époque. Le laboratoire de Powell est une exception. Pendant la guerre, alors que les hommes devaient servir dans l'armée, de nouvelles méthodes scientifiques étaient développées dans le laboratoire de Powell : l'imagerie des rayons cosmiques utilisant la technologie de photosensibilité au latex, une entreprise à forte intensité de main-d'œuvre. Le laboratoire de Powell a collecté un grand nombre de photos de rayons cosmiques et il a loué de nombreux scanners.(la plupart sont des femmes)Rechercher minutieusement les photos, apporter tout ce qui est inhabituel ou intéressant à un physicien pour une analyse plus approfondie.

Rosemary Fowler n'est pas un scanner. Elle était l'une des rares femmes invitées à étudier pour un doctorat en physique et elle a obtenu un baccalauréat de première classe - un exploit inhabituel pour quiconque, surtout à cette époque. Rosemary a montré un talent exceptionnel en sciences après être allée à l'école. Elle était bonne en mathématiques mais peu intéressée par l'écriture. Cela peut être lié au fait que son père était un ingénieur de la Royal Navy britannique. Elle est devenue la seule fille de sa classe à entrer à l'université et est finalement devenue l'étudiante diplômée de Powell avec un magnifique relevé de notes.

Intelligente et décisive, elle ne prit que deux jours de congé après avoir rejoint l'équipe et commença à travailler en juin 1947. Lorsqu'elle a découvert la désintégration du méson « tau », la première personne à qui elle en a parlé fut son camarade de doctorat Peter Fowler.(Peter H. Fowler). "Nous avons passé du temps à observer et à réfléchir, profitant du moment de découverte. Ensuite, j'en ai parlé aux autres", a-t-elle déclaré. Ernest Rutherford, pionnier de la physique nucléaire(Ernest Rutherford, 1871-1937)petit-fils, pionnier de la physique quantique Ralph Fowler(Ralph H. Fowler, 1889-1944 ; mentor de Dirac)Le fils de Peter Fowler, était un jeune physicien brillant et reconnu. Il avait trois ans de plus que Rosemary mais entra à l'école un an après elle, ses études étant interrompues par le service militaire. Ils se sont mariés tous les deux en 1949, date à laquelle Rosemary a décidé de quitter le monde universitaire. Avec le ferme soutien de Rosemary, son mari, Peter Fowler, a poursuivi une carrière très distinguée, obtenant d'importants résultats dans la détection expérimentale des rayons cosmiques.

Lorsqu’on lui a demandé pourquoi elle avait abandonné une carrière universitaire sans terminer son doctorat par la suite, la réponse de Rosemary a été pragmatique. Vivant dans une époque difficile de pénurie de nourriture et de logement, ses trois filles avaient besoin de soins et de soutien. Elle a donc décidé de laisser Peter Fowler continuer à travailler en physique. Elle pensait que c'était la meilleure solution. Mary Fowler, la fille de Rosemary(Mary Fowler)Se souvient : « Quand j'étais enfant, je voulais devenir physicien, mes deux parents étaient physiciens, et la physique et la recherche étaient les sujets de discussion sur la table de la cuisine ! Rosemary nous a tous influencés – nous étions tous passionnés par les sciences et les mathématiques. Personne ne pensait que les filles n'en étaient pas capables. faites cela. » Elle est aujourd’hui une géophysicienne distinguée et ancienne présidente du Darwin College de Cambridge. Parce que Rosemary Fowler avait une mobilité limitée, la cérémonie de remise du diplôme a eu lieu au Darwin College de Cambridge.

Au fil du temps, dans diverses publications, les contributions de Rosemary ont souvent été attribuées à son mari ou à Powell. Mais Powell a explicitement reconnu la contribution majeure de Rosemary à la découverte. Mais cela semble être un exemple de l’effet « Matilda », où les contributions des femmes scientifiques sont souvent négligées ou attribuées à leurs homologues masculins.[L'effet Matilda doit son nom à l'écrivaine et activiste américaine Matilda Joslyn Gage. En 1870, elle écrit un livre intitulé « La femme inventrice » (La femme inventrice), condamnant l'idée largement répandue à l'époque selon laquelle les femmes manquaient de créativité et de talent scientifique. ]

Rosemary n’est pas la seule scientifique dont les contributions ont été sous-estimées. Powell a remporté le prix Nobel de physique en 1950 pour avoir découvert des pions à l'aide de la technologie du latex photosensible, mais l'inventrice de cette technologie, la physicienne autrichienne Marietta Blau,(Marietta Blau, 1894-1970)Sa contribution a été ignorée, même si elle a ensuite été nominée à plusieurs reprises comme candidate au prix Nobel par Schrödinger, la physicienne indienne Biba Chaudhry ;(Bibha Choudhuri, 1913-1991)Des preuves de la présence de pions sont également apparues dans des articles publiés dans Nature pendant la Seconde Guerre mondiale, et ses travaux sont encore moins connus que ceux de Blau...

Aujourd'hui, 75 ans après la découverte de Rosemary, elle a reçu un doctorat honorifique, prouvant que les gens se souviendront toujours de son importante contribution.

Références

[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