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最近、英国のブリストル大学は、博士号の研究中に、当時奇妙だと考えられていた粒子崩壊過程を発見した 98 歳のローズマリー・ファウラーに名誉博士号を授与しました。 「トリガー）物理学の書き換え」「出来事の法則」、これは李正道と楊振寧がパリティが保存されるかどうかについて考えさせた理由でもあります。しかし、ローズマリー・ファウラーは家庭の理由で学界を去り、それ以来、彼女の傑出した業績について言及されることはほとんどなくなった。現在、彼女の母校は世界を代表する彼女の貢献を認めています。

編集済み | 劉航

75 年前、素粒子物理学における一見知られていない発見により、物理学者は自然の最も基本的な対称性について再考するようになりました。発見者 - 98歳のローズマリー・ファウラー（ローズマリー・ファウラー、1926-）彼女は最近、母校であるブリストル大学から名誉理学博士号を授与されたが、家族の理由により博士号の取得を断念していた。ポール・ナース、ブリストル大学副学長、ノーベル賞受賞者（ポール・ナース）彼女の学位授与式が直接執り行われた。 K 中間子が 3 つの π 中間子に崩壊するという彼女の発見は、最終的に素粒子物理学理論に革命をもたらしたのはブリストルでした。自然同誌は彼女の発見を「物理法則を書き換える出来事」と表現した。

ローズマリー・ファウラーが名誉博士号を授与された 出典: davidjohnsonphotographic.co.uk

宇宙線の発見

第二次世界大戦前後の数十年間は、素粒子発見の隆盛期でした。 1930年代、中性子とミュオンの開発により(第二世代レプトン)そして最初の反物質粒子である陽電子の発見により、素粒子のリストは電子と陽子をはるかに超えて拡大しました。当時、ブリストル大学にはセシル・パウエル率いる世界有数の宇宙線物理学チームがあった。（セシル・パウエル、1903-1969）教授の指導の下、研究室は宇宙線を研究するために感光性フィルムを使用する技術を完成させた。これまでは、ラテックスの感度が低いため、エネルギーが低く、イオン化が高い一部の粒子の軌跡しか記録できませんでした。エネルギーが高く、イオン化が低い粒子は見逃されやすく、新しい粒子を発見する可能性が減少していました。パウエルと彼の共同研究者らは、ラテックスの感度を向上させ、ラテックスの厚さを増加させ、現像後に荷電粒子がラテックスを通過する際にイオン化させ、黒い粒子として現れ、痕跡を残した。パウエル氏の実験グループは、宇宙線から新しい素粒子を発見するために熱心に研究している。

1947年、セシル・パウエルはこう認めた。π中間子族の中で最も軽い粒子である中間子の存在。 1934年という早い時期に、日本の物理学者湯川秀樹は、（湯川秀樹、1907-1981）予言されてたπ中間子。湯川は、陽子と中性子がある場を介して互いに引きつけ合うという仮説を立てました。π中間子は、強い核力、つまり強い相互作用の残留相互作用を運ぶ役割を果たします。(中間子は正と負のクォークのペアで構成されており、クォーク間の強い相互作用はグルーオンを介して伝達されます。)

1947年12月、英国マンチェスター大学のジョージ・ロチェスター（ジョージ・ロチェスター、1908-2001）そしてクリフォード・バトラー（クリフォード・バトラー、1922-1999）中間子の研究を新たなステージへ。彼らは5,000枚の霧箱の写真を注意深く分析し、として知られているものを発見しました。θ奇妙な粒子 - 2 つに崩壊する電気的に中性の中間子π中間子。数か月後、ローズマリーはシータ粒子に非常によく似た粒子を発見しました。

1948年、22歳のローズマリーはセシル・パウエルのグループの博士課程の学生でした。彼女の研究活動は、スイスのユングフラウヨッホの高高度実験室で宇宙線にさらされた軽いラテックス写真を観察し、ラテックス写真の粒子軌跡を分析することで高エネルギー粒子の反応プロセスを研究することです。彼女は何か珍しいものを発見しました - 1つは3つに崩壊しましたπ中間子のエキゾチック粒子。彼女は後に「これは新しい発見であり、重要であるとすぐに分かりました。これまでに見たことのない結果が見られました。」彼女が観察したトラックは後に「k-track」と名付けられ、証拠は不明でした。粒子の場合、当時はとして知られていましたτ中間子。

不可解なことに、タウ中間子はマンチェスターチームが以前に見たものであるはずだθ同じ質量、同じスピンなど、あらゆる面で同一に見える粒子の鏡像。しかし、それらはまったく異なる方法で減衰します。τ中間子は3つに崩壊するπ中間子とθ二つに朽ちるπ中間子。ローズマリーの発見は、2 つのプロセスが反対のパリティを持つ「ミラー対称性」または「パリティ対称性」を壊すように見えます。

ローズマリー・ファウラーによって発見された「タウ」宇宙線の軌跡。 「τ中間子」は点Aで崩壊し、π++π++π-，π-そしてB点で分解します。丨画像の出典: Nature、163、82(1949)。

粒子加速器開発の初期には、宇宙線のラテックス写真を撮影するこの方法が、高エネルギー素粒子物理学を研究するための主な実験方法でした。ローズマリーさんは自分の発見を確信し、研究チームは集中的な分析を実施しました。 「この発見を発表する前に、多くの測定と計算を行う必要がありました。私たちはこれが重要な発見であることを知っていたので、すべてをできるだけ早く完了するために非常に熱心に働きました」とローズマリー氏は言いました。

ローズマリーらは短期間に 3 つの論文を執筆し、そのうちの 2 つは 1949 年 1 月にジャーナル「ネイチャー」に掲載されました。ローズマリーは最初の著者であり、姓のブラウンを使用しました。（R.ブラウン）。これは素粒子物理学の論文のアルファベット順の慣例に準拠しており、この研究に対する彼女の主要な貢献を示しています。そして、この迷惑な実際の説明は何ですか？」θ-τ「パラドックス、素粒子物理学者は10年近くを費やしました。

鏡面対称性の破れ

これ以前は、物理法則は対称的であり、あらゆる物理過程の鏡像も物理過程の可能性があることを意味すると一般に信じられていました。ローズマリーの発見は科学者の興味を呼び起こし、科学者はこれまで自然の基本的特性と考えられていた「パリティ」、つまり対称性についてより深く研究し始めました。

素粒子物理学では、パリティは、空間の座標軸が反転したときの粒子または場の挙動を記述する量子数として表現されます。合計パリティは、プロセスのさまざまな段階に関与するすべてのパーティクルのパリティ数を乗算して計算されます。パリティが保存されている場合、合計パリティは変更できません。

π中間子のパリティは -1 で、ローズマリーによって発見されました。τ中間子は 3 つの中間子の最終状態に崩壊し、そのパリティも -1 になるはずです。しかしθ崩壊する二重中間子の最終状態のパリティは +1 です。パリティが保存される場合、2 つのプロセスの最初の粒子も異なるパリティを持つ必要があり、したがって異なるタイプの粒子になる必要があります。しかし、2 つの異なる種類の粒子がまったく同じ質量を持つ理由を説明できる理論はありません。これは有名ですθ-τミステリー。

当時、多くの協力グループが彼女の足跡をたどり、霧箱の写真を注意深く研究し、気象観測気球を使って大量の感光性ラテックスフィルムを大気中に送り込み、発見を目指しました。τ中間子の崩壊の兆候。 1953 年までに、物理学者は合計 11 件の実例を観察しました。ローレンス・バークレー国立研究所（ローレンス・バークレー国立研究所）大型粒子加速器ベバトロンは 1954 年に運転を開始し、1955 年までに 35 台が製造されました。大型粒子加速器は、素粒子物理学の研究において、宇宙線のほかにもう一つの重要な研究方法を提供します。その過程で、科学者たちは新しい命名規則を導入しました。最初に発見されたエキゾチックな粒子はK中間子と呼ばれました。θそしてτ次に、それぞれ 2 と 3 への減衰を参照します。π中間子のパターン。

より精密な測定により、2 種類の K 中間子の質量が実際に同じであることが確認されました。θ-τ謎はさらに複雑になっていきます。 1956 年 4 月、素粒子物理学者たちはニューヨーク州ロチェスターで会議を開き、K 中間子と、この時期に発見されたいくつかの不可解でエキゾチックな粒子について話し合いました。ローズマリーとパウエルは会議に出席していなかったが、ゲルマンは（マレー・ゲルマン、1929-2019）ファインマン（リチャード・ファインマン、1918-1988）数人の優れた科学者が会議に出席した。ゲルマンの追悼の中で、ファインマンと実験家のマーティン・ブロック（マーティン・ブロック、1925-2016）部屋に住んでいるブロックは彼にこう尋ねました。 θそしてτ同じ粒子ではないでしょうか？ 「ファインマン氏も会議でこの問題を提起した。

ブリストル大学物理学部から撮影された写真。後列の左側で柱にもたれているのはローズマリーです。丨出典: ブリストル大学

特に減衰のような弱い相互作用では、パリティ保存を実際に証明できる人は誰もいないことがわかりました。 Li Zhengdao 氏と Yang Zhenning 氏もその会議に参加し、慎重な研究の結果、弱い相互作用でパリティが保存されるかどうかは実際にはテストされていないことがわかり、同年 10 月に論文を発表し、いくつかの具体的な実験を提案しました。パリティが保存されているかどうかを確認します。パリティ保存は長い間ほとんどの物理学者のデフォルトの見解であり、ファインマンはパリティ非保存に対して50倍のオッズを賭けていたため、当初彼らの論文は疑問視された。 1956年、李正道は当時世界の崩壊分野で最も権威のある専門家の一人である呉建雄と関連問題について話し合い、呉建雄は実験を行うことを決意した。実験の重要性のため、呉建雄さんは親戚を訪ねるために予定していた中国への帰国を断念し、実験チームを組織して詳細な実験作業を開始した。コバルト60のベータ崩壊を観察することにより、最終的な電子のほとんどがコバルト60の分極とは反対の方向に放出されることが判明した。ウー氏の実験では、強力な磁場は角運動量の方向、つまりスピンの方向を分極させ、原理的には最終的な電子の運動方向を制限しなかった。したがって、パリティが保存される場合、最終状態の電子、つまり放出された電子は、β光線の方向は、核分極方向の正と負の方向になる可能性が等しくなければなりません。この実験では核分極と逆方向の光線のみが検出されたため、弱い相互作用ではパリティ保存が当てはまらないと結論付けることができました。（編注：「中学生でもわかるパリティ非保存と呉の実験」参照）それ以来、弱い相互作用下でのパリティ非保存が否定できなくなるまで、さらなる実験結果が続きました。

このパズルの答えは、2 つの K 中間子は同じ粒子であり、パリティは自然界の弱い相互作用の基本的な対称性ではないということです。

Wu Jianxiong の実験は非常に賢明で、彼女は自然が別の対称性を破ることを証明することにも成功しました - C。(電荷共役)対称性。つまり、相互作用内のすべての粒子が反粒子に置き換えられた場合、プロセスは同じように起こるはずです。この発見により、物理学者はパリティ保存だけでなく、自然界の他の仮説上の対称性も正確にテストする必要があることに気づきました。電荷保存とパリティ保存の組み合わせである「CP」は、当時確立されたと考えられていましたが、後に 1964 年の K 中間子崩壊実験で破壊されたことが証明されました。 CP 違反はパリティ違反よりも深い意味があり、宇宙には反物質よりも物質の方が多いという事実に関連している可能性があります。

パリティ保存の放棄は物理学者に大きな影響を与え、素粒子とその相互作用、特に対称性の基本概念に対する人々の理解は大きく変わりました。今日でも物理学者はさまざまな実験を利用して粒子崩壊における対称性の破れを研究し、素粒子物理学の標準モデルを超えた新しい物理学を模索しています。

「マチルダ」効果

ローズマリーの話は、なぜ彼女のことを聞いた人がこれほど少ないのかという疑問を引き起こします。その理由の 1 つは、ほとんどの物理学科、さらには当時の科学界でさえ男女平等を達成することが難しかったことかもしれません。パウエルの研究室は例外です。戦時中、男性の兵役が義務付けられていたとき、パウエルの研究室では新しい科学的手法が開発されていた。それは、ラテックス感光技術を使った宇宙線イメージングであり、労働集約的な取り組みである。パウエルの研究室は大量の宇宙線写真を収集し、多くのスキャナーを雇いました。（ほとんどが女性です）写真を丹念に検索し、珍しいものや興味深いものを物理学者に持ち込み、さらなる分析を依頼します。

ローズマリー・ファウラーはスキャナーではありません。彼女は物理学の博士号取得のために招待された数少ない女性の 1 人であり、第一級の学士号を取得しました。これは、特に当時としては誰にとっても並外れた偉業です。ローズマリーは学校に通った後、数学に優れた才能を示しましたが、書くことにはあまり興味がありませんでした。彼女は同学年で大学に入学した唯一の女子となり、最終的には美しい成績証明書を持ってパウエル教授の大学院生となった。

聡明で決断力に優れた彼女は、チームに加わってからわずか 2 日の休暇を取っただけで、1947 年 6 月から働き始めました。彼女が「タウ」中間子の崩壊を発見したとき、最初に彼女に話したのは、博士課程の学生であるピーター・ファウラーだった。（ピーター・H・ファウラー）。 「私たちはしばらく観察して考え、発見の瞬間を楽しみました。それから私は他の人たちに話しました」と彼女は語った。核物理学の先駆者アーネスト・ラザフォード（アーネスト・ラザフォード、1871-1937）孫、量子物理学のパイオニア、ラルフ・ファウラー（ラルフ・H・ファウラー、1889～1944年、ディラックの師）の息子、ピーター・ファウラーは、優秀な若い物理学者として認められていました。彼はローズマリーより 3 歳年上でしたが、彼女より 1 年遅れて学校に入学し、兵役により学業が中断されました。二人は1949年に結婚したが、その時ローズマリーは学界を去ることを決意した。ローズマリーの強力な支援により、彼女の夫ピーター・ファウラーは非常に優れたキャリアを積み、宇宙線の実験的検出で重要な成果を達成しました。

その後、なぜ博士号を取得せずに学術界でのキャリアを辞めたのか尋ねられたとき、ローズマリーさんの答えは現実的でした。食糧不足と住宅不足の困難な時代に生きており、彼女の 3 人の娘たちはケアとサポートを必要としていたため、彼女はピーター・ファウラーに物理学の研究を続けてもらうことに決めました。これが最善の策だと考えました。ローズマリーの娘メアリー・ファウラー（メアリー・ファウラー）「子供の頃、私は物理学者になりたかったのです。両親も物理学者で、食卓では物理学と研究の話題が持ち上がっていました。ローズマリーは私たち全員に影響を与えました。私たちは皆、科学と数学に情熱を持っていました。女の子にはそんなことができるとは誰も思っていませんでした。」そんなことはしません。」 彼女は現在、著名な地球物理学者であり、ケンブリッジのダーウィン大学の元学長です。ローズマリー・ファウラーさんは身体が不自由だったため、学位授与式はケンブリッジのダーウィン大学で行われた。

時間が経つにつれて、さまざまな出版物において、ローズマリーの貢献は夫またはパウエルによるものとされることが多くなりました。しかしパウエル氏は、発見に対するローズマリーの多大な貢献を明確に認めた。しかし、これは女性科学者の貢献がしばしば無視されたり、男性科学者の貢献に帰されたりする「マチルダ」効果の一例であるようだ。[マチルダ効果は、アメリカの作家で活動家のマチルダ・ジョスリン・ゲージにちなんで名付けられました。 1870年に彼女は「発明家としての女性」という本を書きました（発明家としての女性）パンフレットは、女性には創造性や科学的才能が欠けているという当時広く広まった見方を非難した。 】

貢献が過小評価されている科学者はローズマリーだけではない。パウエルは、感光性ラテックス技術を使用したパイオンの発見により 1950 年のノーベル物理学賞を受賞しましたが、この技術の発明者であるオーストリアの物理学者マリエッタ ブラウは、（マリエッタ・ブラウ、1894-1970）彼女の貢献は、後にシュレーディンガーによって何度もノーベル賞候補に指名されたにもかかわらず、無視された。（ビバ・チョードリ、1913-1991）パイオンの証拠は第二次世界大戦中にネイチャー誌に掲載された論文にも掲載されていますが、彼女の研究はブラウの研究よりもさらに知られていません...

ローズマリーの発見から 75 年が経った今、彼女は名誉博士号を授与され、人々が彼女の重要な貢献をいつまでも忘れないことを証明しています。

参考文献

[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