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Recentemente l'Università di Bristol nel Regno Unito ha conferito un dottorato onorario alla 98enne Rosemary Fowler. Durante i suoi studi di dottorato, ha scoperto un processo di decadimento delle particelle che all'epoca era ritenuto strano. Questa scoperta è stata considerata "(. grilletto) la riscrittura della fisica." "Legge degli eventi"; è anche la ragione che ha spinto Li Zhengdao e Yang Zhenning a riflettere sulla conservazione della parità. Ma Rosemary Fowler lasciò il mondo accademico per motivi familiari, e da allora il suo eccezionale lavoro è stato raramente menzionato. Ora, la sua alma mater riconosce il suo contributo a nome del mondo.

Compilato |. Liu Hang

75 anni fa, una scoperta apparentemente sconosciuta nel campo della fisica delle particelle indusse i fisici a ripensare le simmetrie più fondamentali della natura. Il suo scopritore: Rosemary Fowler, 98 anni(Rosemary Fowler, 1926-)La signora, a cui è stato recentemente conferito un dottorato onorario in scienze dalla sua alma mater, l'Università di Bristol, aveva rinunciato al dottorato per motivi familiari. Paul Nurse, vicerettore dell'Università di Bristol e vincitore del Premio Nobel(Paul Infermiere)Per lei si è tenuta personalmente una cerimonia di conferimento della laurea. Fu a Bristol che la sua scoperta del decadimento di un mesone K in tre mesoni π portò infine a una rivoluzione nella teoria della fisica delle particelle;NaturaLa rivista ha descritto la sua scoperta come "un evento che riscrive le leggi della fisica".

Rosemary Fowler ha ricevuto un dottorato onorario | Fonte: davidjohnsonphotographic.co.uk

Scoperta dei raggi cosmici

I decenni precedenti e successivi alla seconda guerra mondiale furono un periodo fiorente per la scoperta delle particelle. Negli anni '30, con lo sviluppo dei neutroni e dei muoni(Leptoni di seconda generazione)e con la scoperta della prima particella di antimateria, il positrone, l’elenco delle particelle subatomiche si è ampliato ben oltre gli elettroni e i protoni. A quel tempo l'Università di Bristol aveva il team di fisica dei raggi cosmici più importante al mondo, sotto la guida di Cecil Powell(Cecil Powell, 1903-1969)Sotto la guida del professore, il laboratorio ha perfezionato la tecnologia che utilizza pellicole fotosensibili per studiare i raggi cosmici. Prima di ciò, a causa della bassa sensibilità del lattice, era possibile registrare solo le tracce di alcune particelle con energia inferiore e ionizzazione più elevata. Era facile perdere particelle con energia più elevata e ionizzazione inferiore, il che riduceva la possibilità di scoprire nuove particelle. Powell e i suoi collaboratori hanno migliorato la sensibilità del lattice e aumentato lo spessore del lattice, provocando la ionizzazione delle particelle cariche quando attraversano il lattice. Dopo lo sviluppo, appaiono come grani neri e lasciano tracce. Il gruppo sperimentale di Powell sta lavorando duramente per trovare nuove particelle elementari dai raggi cosmici.

Nel 1947 Cecil Powell lo confermòπL'esistenza dei mesoni, le particelle più leggere della famiglia dei mesoni. Già nel 1934, il fisico giapponese Hideki Yukawa（Hideki Yukawa, 1907-1981）Era stato previstoπmesone. Yukawa ipotizzò che protoni e neutroni si attraessero attraverso un certo campoπMesoni, che fungono da trasportatori della forza nucleare forte: l'interazione residua dell'interazione forte.(I mesoni sono composti da una coppia di quark positivi e negativi e l'interazione forte tra i quark viene trasmessa attraverso i gluoni.)

Nel dicembre 1947, George Rochester dell'Università di Manchester, in Inghilterra(George Rochester, 1908-2001)e Clifford Butler(Clifford Butler, 1922-1999)Spingendo la ricerca sui mesoni a una nuova fase. Hanno analizzato attentamente 5.000 foto di camere a nebbia e hanno scoperto ciò che è noto comeθdi strane particelle: un mesone elettricamente neutro che decade in dueπmesone. Pochi mesi dopo, Rosemary scoprì particelle molto simili alle particelle theta.

Nel 1948, Rosemary, 22 anni, era una studentessa di dottorato nel gruppo di Cecil Powell. Il suo lavoro di ricerca consiste nell'osservare le foto luminose in lattice esposte ai raggi cosmici nel laboratorio ad alta quota di Jungfraujoch in Svizzera e studiare il processo di reazione delle particelle ad alta energia analizzando le tracce delle particelle nelle foto in lattice. Ha scoperto qualcosa di insolito: uno è decaduto in treπLa particella esotica del mesone. In seguito ha ricordato: "Ho capito subito che si trattava di una nuova scoperta e che era significativa. Stavamo vedendo risultati che non avevamo mai visto prima". per le particelle, allora noto comeτmesone.

Curiosamente, il mesone tau dovrebbe essere quello che la squadra di Manchester aveva visto primaθUn'immagine speculare di una particella che sembra identica in ogni aspetto: stessa massa, stesso spin, ecc. Ma decadono in modi completamente diversi:τIl mesone decade in treπmesone eθdecadere in dueπmesone. La scoperta di Rosemary sembra rompere la "simmetria speculare" o "simmetria di parità", in cui i due processi hanno parità opposte.

La traccia dei raggi cosmici "tau" scoperta da Rosemary Fowler. Il "mesone τ" decade nel punto A aπ++π++π-，π-Poi si rompe nel punto B.丨Fonte immagine: Natura, 163, 82(1949).

Agli albori dello sviluppo degli acceleratori di particelle, questo metodo di scattare foto al lattice dei raggi cosmici era il principale metodo sperimentale per studiare la fisica delle particelle ad alta energia. Rosemary era convinta della sua scoperta e il gruppo di ricerca ha condotto un intenso periodo di analisi. "Molte misurazioni e calcoli dovevano essere fatti prima che questa scoperta potesse essere pubblicata. Sapevamo che si trattava di una scoperta importante, quindi abbiamo lavorato molto duramente per fare tutto il più rapidamente possibile", ha detto Rosemary.

Rosemary e altri scrissero tre articoli in un breve periodo di tempo, due dei quali furono pubblicati sulla rivista "Nature" nel gennaio 1949. Rosemary fu la prima autrice e usò il suo cognome Brown.(R. Marrone). Ciò è conforme alla convenzione dell'ordine alfabetico degli articoli di fisica delle particelle e illustra il suo principale contributo a questo lavoro. E cosa spiega davvero questo fastidioso "θ-τ" Paradosso, i fisici delle particelle hanno trascorso quasi un decennio.

Rottura della simmetria speculare

Prima di ciò, si credeva generalmente che le leggi della fisica fossero simmetriche, nel senso che l'immagine speculare di qualsiasi processo fisico fosse anche un possibile processo fisico. La scoperta del rosmarino suscitò l'interesse degli scienziati, che iniziarono a studiare più a fondo la "parità", una simmetria che in precedenza era considerata una proprietà fondamentale della natura.

Nella fisica delle particelle, la parità è espressa come un numero quantico che descrive il comportamento di una particella o di un campo quando l'asse delle coordinate dello spazio è invertito. La parità totale viene calcolata moltiplicando i numeri di parità di tutte le particelle coinvolte nelle diverse fasi del processo. Se la parità viene conservata, la parità totale non può cambiare.

πLa parità del mesone è -1, scoperta da RosemaryτIl mesone decade nello stato finale di tre mesoni e anche la sua parità dovrebbe essere -1. MaθLa parità dello stato finale di un doppio mesone decadente è +1. Se la parità viene conservata, allora anche le particelle iniziali nei due processi devono avere parità diverse e quindi essere tipi di particelle diversi. Ma nessuna teoria può spiegare perché due diversi tipi di particelle abbiano esattamente la stessa massa. questo è famosoθ-τmistero.

A quel tempo, molti gruppi collaborativi seguirono le sue orme, studiando attentamente le foto della camera a nebbia e utilizzando palloni meteorologici per inviare un gran numero di negativi al lattice fotosensibili nell'atmosfera per trovareτSegni di decadimento dei mesoni. Nel 1953, i fisici avevano osservato un totale di 11 casi. Laboratorio Nazionale Lawrence Berkeley(Laboratorio nazionale Lawrence Berkeley)Il grande acceleratore di particelle Bevatron iniziò a funzionare nel 1954 e ne produsse 35 esemplari entro il 1955. I grandi acceleratori di particelle forniscono un altro importante metodo di ricerca oltre ai raggi cosmici per la ricerca sulla fisica delle particelle. Nel processo, gli scienziati hanno introdotto una nuova convenzione di denominazione: le particelle esotiche inizialmente scoperte sono state chiamate mesoni K, mentreθEτquindi fare riferimento al decadimento rispettivamente a due e treπLo schema dei mesoni.

Attraverso misurazioni più precise, è stato confermato che le masse dei due tipi di mesoni K sono effettivamente le stesse, il che rendeθ-τIl mistero si fa ancora più confuso. Nell'aprile del 1956, i fisici delle particelle tennero un incontro a Rochester, New York, per discutere del mesone K e di molte altre particelle sconcertanti ed esotiche che erano state scoperte in quel periodo. Sebbene Rosemary e Powell non fossero presenti all'incontro, Gell-Mann（Murray Gell-Mann, 1929-2019）Feynmann(Richard Feynman, 1918-1988)All’incontro hanno partecipato numerosi scienziati di spicco. In memoria di Gell-Mann, Feynman e lo sperimentalista Martin Block(Martin Block, 1925-2016)Vivendo in una stanza, Block gli chiese: “E se la parità non fosse conservata? θEτNon può essere la stessa particella? "Anche Feynman ha sollevato la questione durante l'incontro.

Una foto scattata dalla Scuola di Fisica dell'Università di Bristol Nella foto, sul lato sinistro dell'ultima fila, appoggiata a un pilastro, c'è Rosemary.丨Fonte: Università di Bristol

Si scopre che nessuno può effettivamente dimostrare la conservazione della parità, specialmente nelle interazioni deboli come il decadimento. Anche Li Zhengdao e Yang Zhenning parteciparono a quell'incontro. Dopo un'attenta ricerca, scoprirono che in realtà non era stato testato se la parità fosse conservata nelle interazioni deboli. Nell'ottobre dello stesso anno pubblicarono un articolo e proposero diversi esperimenti specifici. per verificare se la parità è conservata. Inizialmente, il loro articolo fu messo in discussione perché la conservazione della parità è stata la visione predefinita di lunga data della maggior parte dei fisici. Feynman scommise addirittura con una probabilità di 50 volte contro la non conservazione della parità. Nel 1956, Li Zhengdao discusse questioni correlate con Wu Jianxiong, uno degli esperti più autorevoli nel campo del decadimento a quel tempo nel mondo, e Wu Jianxiong decise di condurre esperimenti. A causa dell'importanza dell'esperimento, Wu Jianxiong rinunciò al viaggio programmato in Cina per visitare i parenti e organizzò un gruppo sperimentale per avviare un lavoro sperimentale dettagliato. Osservando il decadimento beta del cobalto-60, hanno scoperto che la maggior parte degli elettroni finali venivano emessi nella direzione opposta alla polarizzazione del cobalto-60. Nell'esperimento di Wu, il forte campo magnetico polarizzava la direzione del momento angolare, cioè la direzione dello spin, e in linea di principio non limitava la direzione del movimento dell'elettrone finale. Pertanto, se si conserva la parità, allora l'elettrone nello stato finale, cioè quello emessoβLe direzioni dei raggi dovrebbero avere la stessa probabilità di essere nella direzione positiva e negativa della direzione della polarizzazione nucleare. L'esperimento ha rilevato solo raggi nella direzione opposta alla polarizzazione nucleare, quindi hanno potuto concludere che la conservazione della parità non è vera nelle interazioni deboli.(Nota del redattore: vedere "Non conservazione della parità ed esperimento di Wu che gli studenti delle scuole medie possono comprendere")Da allora seguirono ulteriori risultati sperimentali, finché la non conservazione della parità in interazioni deboli divenne innegabile.

La risposta a questo enigma è che i due mesoni K sono la stessa particella e che la parità non è una simmetria fondamentale delle interazioni deboli in natura.

L'esperimento di Wu Jianxiong è stato molto intelligente ed è riuscita anche a dimostrare che la natura rompe un'altra simmetria: C(coniugazione di carica)Simmetria, nel senso che se tutte le particelle nell'interazione fossero sostituite dalle loro antiparticelle, il processo dovrebbe avvenire nello stesso modo. Questa scoperta ha fatto capire ai fisici che non solo la conservazione della parità, ma anche altre simmetrie ipotizzate in natura devono essere testate accuratamente. "CP" - la combinazione di conservazione della carica e conservazione della parità, era considerata consolidata all'epoca, ma in seguito fu dimostrato che era stata distrutta nell'esperimento di decadimento del mesone K del 1964. La violazione di CP ha un significato più profondo della violazione della parità e potrebbe essere collegata al fatto che nell'universo c'è più materia che antimateria.

L'abbandono della conservazione della parità ha avuto un profondo impatto sui fisici. La scoperta di Rosemary ha riscritto il percorso di sviluppo della fisica delle particelle. La comprensione delle particelle elementari e delle loro interazioni, in particolare il concetto base di simmetria, ha subito cambiamenti sconvolgenti. Oggi, i fisici stanno ancora utilizzando vari esperimenti per studiare la rottura della simmetria nel decadimento delle particelle, alla ricerca di nuova fisica oltre il Modello Standard della fisica delle particelle.

L'effetto "Matilde".

La storia di Rosemary pone la domanda: perché così poche persone hanno sentito parlare di lei? Una ragione potrebbe essere che l’uguaglianza di genere era difficile da raggiungere nella maggior parte dei dipartimenti di fisica e persino nella comunità scientifica del suo tempo. Il laboratorio di Powell è un'eccezione. Durante la guerra, quando gli uomini dovevano prestare servizio militare, nel laboratorio di Powell venivano sviluppati nuovi metodi scientifici: l'imaging dei raggi cosmici utilizzando la tecnologia della fotosensibilità al lattice, uno sforzo ad alta intensità di manodopera. Il laboratorio di Powell raccolse un gran numero di foto di raggi cosmici e assunse molti scanner.(la maggior parte sono donne)Cercando scrupolosamente tra le foto, portando qualcosa di insolito o interessante a un fisico per ulteriori analisi.

Rosemary Fowler non è uno scanner. Fu una delle poche donne invitate a studiare per un dottorato in fisica e conseguì una laurea di primo livello: un risultato insolito per chiunque, soprattutto a quei tempi. Rosemary ha mostrato un talento eccezionale nelle scienze dopo aver frequentato la scuola. Era brava in matematica ma non molto interessata alla scrittura. Ciò potrebbe essere correlato al fatto che suo padre era un ingegnere della Royal Navy. Divenne l'unica ragazza della sua classe ad entrare al college e alla fine divenne la studentessa laureata di Powell con una bellissima trascrizione.

Intelligente e decisa, si prese solo due giorni di pausa dopo essersi unita alla squadra e iniziò a lavorare nel giugno 1947. Quando scoprì il decadimento del mesone "tau", la prima persona a cui lo disse fu il suo collega studente di dottorato Peter Fowler.(di Peter H. Fowler). "Abbiamo trascorso un po' di tempo osservando e riflettendo, godendoci il momento della scoperta. Poi l'ho raccontato ad altri", ha detto. Il pioniere della fisica nucleare Ernest Rutherford(Ernest Rutherford, 1871-1937)nipote, il pioniere della fisica quantistica Ralph Fowler(Ralph H. Fowler, 1889-1944; mentore di Dirac)Il figlio di, Peter Fowler, era un giovane fisico riconosciuto e brillante. Aveva tre anni più di Rosemary ma entrò a scuola un anno dopo di lei, i suoi studi furono interrotti dal servizio militare. I due si sposarono nel 1949, momento in cui Rosemary decise di lasciare il mondo accademico. Con il forte sostegno di Rosemary, suo marito, Peter Fowler, intraprese una brillante carriera, ottenendo importanti risultati nella rilevazione sperimentale dei raggi cosmici.

Quando le è stato chiesto perché avesse abbandonato la carriera accademica senza completare il dottorato, la risposta di Rosemary è stata pragmatica. Vivendo in un'epoca difficile di carenza di cibo e alloggi, le sue tre figlie avevano bisogno di cure e sostegno, quindi decise di lasciare che Peter Fowler continuasse a lavorare nel campo della fisica. Pensò che questa fosse la soluzione migliore. La figlia di Rosemary, Mary Fowler(Mary Fowler)Ricorda: “Da bambino volevo diventare un fisico, entrambi i genitori erano fisici e la fisica e la ricerca erano il discorso in cucina! Rosemary ha influenzato tutti noi – eravamo tutti appassionati di scienza e matematica. Nessuno pensava che le ragazze non potessero farlo fatelo." Ora è un'illustre geofisica ed ex presidente del Darwin College di Cambridge. Poiché Rosemary Fowler aveva una mobilità limitata, la cerimonia di consegna della laurea si è tenuta al Darwin College di Cambridge.

Nel corso del tempo, in varie pubblicazioni, i contributi di Rosemary furono spesso attribuiti a suo marito o a Powell. Ma Powell ha esplicitamente riconosciuto l’importante contributo di Rosemary alla scoperta. Ma sembra essere un esempio dell’effetto “Matilda”, in cui i contributi delle scienziate sono spesso trascurati o attribuiti alle loro controparti maschili.[L'effetto Matilda prende il nome dalla scrittrice e attivista americana Matilda Joslyn Gage. Nel 1870 scrisse un libro intitolato "La donna come inventore" (La donna come inventrice) opuscolo, che condannava l'opinione ampiamente diffusa all'epoca secondo cui le donne mancavano di creatività e talento scientifico. ]

Rosemary non è l’unico scienziato i cui contributi sono stati sottovalutati. Powell vinse il Premio Nobel per la fisica nel 1950 per aver scoperto i pioni utilizzando la tecnologia del lattice fotosensibile, ma l'inventore della tecnologia, la fisica austriaca Marietta Blau,(Marietta Blau, 1894-1970)Il suo contributo fu ignorato, anche se in seguito fu nominata più volte candidata al Premio Nobel dal fisico indiano Biba Chaudhry;（Bibha Choudhuri, 1913-1991）Prove dell'esistenza dei pioni sono apparse anche in articoli pubblicati su Nature durante la seconda guerra mondiale, e il suo lavoro è ancora meno conosciuto di quello di Blau...

Ora, 75 anni dopo la scoperta di Rosemary, le è stato conferito un dottorato onorario, a dimostrazione che le persone ricorderanno sempre il suo importante contributo.

Riferimenti

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

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