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최근 영국 브리스톨 대학교에서는 98세의 로즈마리 파울러(Rosemary Fowler)에게 명예박사 학위를 수여했습니다. 그녀는 박사 과정에서 당시 이상하다고 생각되었던 입자 붕괴 과정을 발견했습니다. Trigger) 물리학의 재작성." "사건의 법칙"; 이것은 Li Zhengdao와 Yang Zhenning이 동등성이 보존되는지에 대해 생각하게 만든 이유이기도 합니다. 그러나 로즈마리 파울러는 집안의 이유로 학계를 떠났고, 그녀의 뛰어난 업적은 그 이후로 거의 언급되지 않았습니다. 이제 그녀의 모교는 세계를 대표한 그녀의 공헌을 인정합니다.

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75년 전, 입자 물리학의 겉보기에 알려지지 않은 발견으로 인해 물리학자들은 자연의 가장 근본적인 대칭을 다시 생각하게 되었습니다. 발견자 - 98세의 로즈마리 파울러（로즈메리 파울러, 1926-）최근 모교인 브리스톨 대학교에서 명예 이학박사 학위를 받은 Ms는 가족적인 이유로 박사 학위를 포기했습니다. 폴 너스(Paul Nurse) 브리스톨 대학교 부총장이자 노벨상 수상자（폴 너스）그녀를 위한 학위수여식이 직접 거행됐다. K 중간자가 세 개의 π 중간자로 붕괴되는 것을 발견한 것은 브리스톨에서 궁극적으로 입자물리학 이론에 혁명을 일으켰습니다.자연잡지는 그녀의 발견을 "물리 법칙을 다시 쓰는 사건"이라고 묘사했습니다.

로즈마리 파울러(Rosemary Fowler)가 명예 박사 학위를 받았습니다. 출처: davidjohnsonphotographic.co.uk

우주선의 발견

제2차 세계대전 전후 수십 년은 입자 발견의 전성기였습니다. 1930년대에는 중성자와 뮤온의 개발로(2세대 렙톤)그리고 최초의 반물질 입자인 양전자의 발견으로 아원자 입자의 목록은 전자와 양성자 이상으로 확장되었습니다. 당시 브리스톨 대학교에는 Cecil Powell이 이끄는 세계 최고의 우주선 물리학 팀이 있었습니다.（세실 파웰, 1903-1969）교수의 지도 하에 연구실에서는 감광성 필름을 활용하여 우주선을 연구하는 기술을 완성했습니다. 이전에는 라텍스의 낮은 감도로 인해 에너지가 낮고 이온화가 높은 일부 입자의 궤적만 기록할 수 있었기 때문에 에너지가 높고 이온화가 낮은 입자를 놓치기 쉬웠기 때문에 새로운 입자를 발견할 가능성이 낮았습니다. Powell과 그의 동료들은 라텍스의 감도를 향상시키고 라텍스의 두께를 증가시켜 대전 입자가 라텍스를 통과할 때 이온화되도록 하여 현상 후 검은 알갱이로 나타나 흔적을 남깁니다. 파웰의 실험 그룹은 우주선에서 새로운 기본 입자를 찾기 위해 열심히 노력하고 있습니다.

1947년 세실 파월(Cecil Powell)이 확인했습니다.π중간자 계열에서 가장 가벼운 입자인 중간자의 존재. 1934년 초 일본의 물리학자 유카와 히데키가(유카와 히데키, 1907-1981)예측되었네요π중간자. 유카와는 양성자와 중성자가 특정 장을 통해 서로 끌어당긴다는 가설을 세웠습니다.π강한 핵력의 전달자 역할을 하는 중간자(강한 상호작용의 잔여 상호작용)(메손은 한 쌍의 양성 쿼크와 음성 쿼크로 구성되며, 쿼크 사이의 강한 상호작용은 글루온을 통해 전달됩니다.)

1947년 12월, 영국 맨체스터 대학의 조지 로체스터(George Rochester)（조지 로체스터, 1908-2001）그리고 클리포드 버틀러（클리포드 버틀러, 1922-1999）중간자 연구를 새로운 단계로 끌어올립니다. 그들은 5,000장의 구름상자 사진을 주의 깊게 분석하여 다음과 같은 현상을 발견했습니다.θ이상한 입자로 구성된 전기적으로 중성인 중간자는 두 개로 붕괴됩니다.π중간자. 몇 달 후 로즈마리는 세타 입자와 매우 유사한 입자를 발견했습니다.

1948년, 22세의 로즈마리는 세실 파월(Cecil Powell) 그룹의 박사과정 학생이었습니다. 그녀의 연구 업무는 스위스 융프라우요흐 고고도 연구실에서 우주선에 노출된 빛 라텍스 사진을 관찰하고, 라텍스 사진 속 입자 궤적을 분석해 고에너지 입자의 반응 과정을 연구하는 것이다. 그녀는 특이한 것을 발견했습니다. 하나가 세 개로 분해된 것입니다.π중간자의 이국적인 입자. 그녀는 나중에 이렇게 회상했습니다. "나는 이것이 새로운 발견이고 중요하다는 것을 즉시 알았습니다. 우리는 이전에 본 적이 없는 결과를 보고 있었습니다. 그녀가 관찰한 트랙은 나중에 "k-트랙"이라는 라벨이 붙었고 알려지지 않았습니다. 입자의 경우 다음으로 알려져 있습니다.τ중간자.

놀랍게도 타우 중간자는 맨체스터 팀이 이전에 본 것이어야 합니다.θ동일한 질량, 동일한 스핀 등 모든 면에서 동일하게 보이는 입자의 거울상입니다. 그러나 그것들은 완전히 다른 방식으로 붕괴됩니다:τ중간자는 세 개로 붕괴된다.π중간자와θ둘로 쪼개지다π중간자. 로즈마리의 발견은 두 프로세스가 반대되는 패리티를 갖는 "거울 대칭" 또는 "패리티 대칭"을 깨뜨린 것으로 보입니다.

로즈마리 파울러(Rosemary Fowler)가 발견한 "타우(tau)" 우주선 궤도. "τ 중간자"는 A 지점에서 붕괴되어π++π++π-，π-그런 다음 B 지점에서 분리됩니다.丨이미지 출처: Nature, 163, 82(1949).

입자가속기 개발 초기에는 이러한 우주선의 라텍스 사진을 찍는 방법이 고에너지 입자물리학을 연구하는 주요 실험방법이었다. 로즈마리는 자신의 발견을 확신했고, 연구팀은 집중적인 분석 기간을 수행했습니다. "이 발견이 발표되기 전에 많은 측정과 계산이 이루어져야 했습니다. 우리는 이것이 중요한 발견이라는 것을 알고 있었기 때문에 모든 작업을 가능한 한 빨리 완료하기 위해 매우 열심히 일했습니다"라고 Rosemary는 말했습니다.

로즈마리와 다른 사람들은 짧은 기간에 세 편의 논문을 썼는데, 그 중 두 편은 1949년 1월 "Nature" 저널에 게재되었습니다. 로즈마리가 첫 번째 저자였으며 브라운이라는 성을 사용했습니다.（R. 브라운）. 이는 입자 물리학 논문의 알파벳 순서 규칙을 따르며 이 작업에 대한 그녀의 주요 기여를 보여줍니다. 그리고 이 짜증나는 일을 실제로 설명하는 것은 무엇입니까?θ-τ" 역설적이게도 입자 물리학자들은 거의 10년을 보냈습니다.

거울 대칭의 깨짐

그 전에는 일반적으로 물리 법칙이 대칭이라고 믿었습니다. 즉, 모든 물리적 과정의 거울상도 가능한 물리적 과정이라는 의미였습니다. 로즈마리의 발견은 이전에 자연의 기본 속성으로 간주되었던 대칭인 "패리티"를 더 깊이 연구하기 시작한 과학자들의 관심을 불러일으켰습니다.

입자 물리학에서 패리티는 공간의 좌표축이 반전될 때 입자나 필드의 동작을 설명하는 양자수로 표현됩니다. 총 패리티는 프로세스의 여러 단계에 관련된 모든 입자의 패리티 수를 곱하여 계산됩니다. 패리티가 보존되면 전체 패리티는 변경될 수 없습니다.

π로즈마리가 발견한 중간자의 패리티는 -1입니다.τ중간자는 3개의 중간자라는 최종 상태로 붕괴하며, 그 패리티도 -1이어야 합니다. 하지만θ붕괴하는 이중 중간자 최종 상태의 패리티는 +1입니다. 패리티가 보존되면 두 프로세스의 초기 입자도 서로 다른 패리티를 가져야 하므로 입자 유형도 달라야 합니다. 그러나 두 가지 다른 유형의 입자가 정확히 동일한 질량을 갖는 이유를 설명할 수 있는 이론은 없습니다. 이거 유명해요θ-τ신비.

당시 많은 협력 그룹이 그녀의 발자취를 따라 구름 상자 사진을주의 깊게 연구하고 날씨 풍선을 사용하여 수많은 감광성 라텍스 네거티브를 대기 중으로 보내서 발견했습니다.τ중간자 붕괴의 징후. 1953년까지 물리학자들은 총 11개의 개체를 관찰했습니다. 로렌스 버클리 국립 연구소（로렌스 버클리 국립연구소）대형 입자 가속기 Bevatron은 1954년에 가동을 시작하여 1955년까지 35개 인스턴스를 생산했습니다. 대형입자가속기는 입자물리학 연구에 우주선 외에 또 다른 중요한 연구 방법을 제공합니다. 그 과정에서 과학자들은 새로운 명명 규칙을 도입했습니다. 처음에 발견된 이국적인 입자는 K 중간자라고 불렸습니다.θ그리고τ그런 다음 붕괴를 각각 2와 3으로 참조하십시오.π중간자의 패턴.

보다 정밀한 측정을 통해 두 종류의 K 중간체의 질량이 실제로 동일하다는 것이 확인되었습니다.θ-τ미스터리는 더욱 혼란스러워집니다. 1956년 4월, 입자 물리학자들은 뉴욕 주 로체스터에서 회의를 열어 그 기간 동안 발견된 K 중간자와 기타 여러 수수께끼의 이국적인 입자에 대해 논의했습니다. Rosemary와 Powell은 회의에 참석하지 않았지만 Gell-Mann은(머레이 겔만, 1929-2019)파인만（리차드 파인만, 1918-1988）몇몇 뛰어난 과학자들이 회의에 참석했습니다. 겔만의 기억 속에서 파인만과 실험가 마틴 블록은（마틴 블록, 1925-2016）방에 살면서 Block은 그에게 이렇게 물었습니다. “패리티가 보존되지 않으면 어떻게 되나요? θ그리고τ같은 입자일 수는 없나요? "파인만 역시 회의에서 이 문제를 제기했습니다.

브리스톨 대학교 물리학과에서 찍은 사진. 사진 속 뒷줄 왼쪽에 기둥에 기대어 있는 로즈마리가 있다.丨출처: 브리스톨대학교

특히 붕괴와 같은 약한 상호작용에서는 어느 누구도 실제로 패리티 보존을 증명할 수 없다는 것이 밝혀졌습니다. Li Zhengdao와 Yang Zhenning도 해당 회의에 참여하여 신중한 연구 끝에 실제로 약한 상호 작용에서 패리티가 보존되는지 여부가 테스트되지 않았음을 발견했으며 같은 해 10월에 논문을 발표하고 몇 가지 구체적인 실험을 제안했습니다. 패리티가 보존되는지 확인합니다. 처음에 그들의 논문은 패리티 보존이 대부분의 물리학자들의 오랜 기본 견해였기 때문에 의문을 제기했습니다. 파인만은 심지어 패리티 비보존에 대해 50배의 배당률을 걸었습니다. 1956년 이정도는 당시 세계 부패 분야의 가장 권위 있는 전문가 중 한 명인 오젠웅과 관련 문제를 논의했고, 오젠웅은 실험을 하기로 결정했습니다. 실험의 중요성으로 인해 Wu Jianxiong은 친척을 방문하기 위해 계획했던 중국 여행을 포기하고 실험 팀을 구성하여 세부적인 실험 작업을 시작했습니다. 코발트-60의 베타 붕괴를 관찰함으로써, 그들은 최종 전자의 대부분이 코발트-60 분극과 반대 방향으로 방출된다는 것을 발견했습니다. 우의 실험에서 강한 자기장은 각운동량 방향, 즉 스핀 방향을 분극시켰고, 원칙적으로 최종 전자의 이동 방향을 제한하지 않았다. 따라서 패리티가 보존되면 최종 상태 전자, 즉 방출된 전자는β광선 방향은 핵 분극 방향의 양의 방향과 음의 방향이 될 가능성이 동일해야 합니다. 실험에서는 핵 분극과 반대 방향의 광선만 감지했기 때문에 약한 상호작용에서는 패리티 보존이 성립하지 않는다는 결론을 내릴 수 있었습니다.(편집자 주: "중학생이 이해할 수 있는 패리티 비보존과 우의 실험" 참조)그 이후로 약한 상호작용 하에서 패리티 비보존이 부인될 수 없을 때까지 더 많은 실험 결과가 나왔습니다.

이 퍼즐에 대한 답은 두 개의 K 중간자가 동일한 입자이며 패리티는 자연의 약한 상호작용의 근본적인 대칭이 아니라는 것입니다.

Wu Jianxiong의 실험은 매우 영리했습니다. 그녀는 또한 자연이 또 다른 대칭을 깨뜨린다는 것을 증명했습니다.(전하 활용)대칭이란 상호 작용의 모든 입자가 반입자로 대체된 경우 프로세스가 동일한 방식으로 발생해야 함을 의미합니다. 이 발견으로 인해 물리학자들은 패리티 보존뿐 아니라 자연의 다른 가정된 대칭성도 정확하게 테스트해야 한다는 사실을 깨닫게 되었습니다. "CP"(전하 보존과 패리티 보존의 조합)는 당시 확립된 것으로 간주되었으나 나중에 1964년 K 중간자 붕괴 실험에서 파괴된 것으로 입증되었습니다. CP 위반은 패리티 위반보다 더 깊은 의미를 가지며, 이는 우주에 반물질보다 물질이 더 많다는 사실과 관련이 있을 수 있습니다.

패리티 보존의 포기는 물리학자들에게 깊은 영향을 미쳤습니다. 로즈메리의 발견은 입자 물리학의 발전 경로를 다시 작성했습니다. 기본 입자와 그 상호 작용, 특히 대칭의 기본 개념에 대한 사람들의 이해는 엄청난 변화를 겪었습니다. 오늘날 물리학자들은 입자 물리학의 표준 모형을 넘어서는 새로운 물리학을 찾아 입자 붕괴의 대칭 파괴를 연구하기 위해 여전히 다양한 실험을 사용하고 있습니다.

'마틸다' 효과

로즈마리의 이야기는 다음과 같은 질문을 던집니다. 그녀에 대해 들어본 사람이 왜 그렇게 적은 걸까요? 한 가지 이유는 대부분의 물리학과와 심지어 당시 과학계에서도 성 평등을 달성하기 어려웠기 때문일 수 있습니다. Powell의 연구실은 예외입니다. 전쟁 중에 남성이 군 복무를 해야 했을 때 Powell의 연구실에서는 노동 집약적인 작업인 라텍스 감광성 기술을 사용한 우주선 이미징이라는 새로운 과학적 방법이 개발되었습니다. Powell의 연구실에서는 수많은 우주선 사진을 수집했고 그는 많은 스캐너를 고용했습니다.(대부분이 여자임)사진을 열심히 검색하여 물리학자가 추가 분석을 위해 특이하거나 흥미로운 것을 가져옵니다.

로즈마리 파울러는 스캐너가 아닙니다. 그녀는 물리학 박사 과정을 공부하도록 초대받은 몇 안 되는 여성 중 한 명이었고, 일류 학사 학위를 받았습니다. 이는 특히 그 당시에는 누구에게나 이례적인 성취였습니다. 로즈마리는 학교에 진학한 후 과학에 뛰어난 재능을 보였습니다. 그녀는 수학을 잘했지만 글쓰기에는 그다지 관심이 없었습니다. 이는 그녀의 아버지가 영국 왕립 해군 엔지니어였던 것과 관련이 있을 수 있습니다. 그녀는 같은 학년에서 대학에 입학하는 유일한 소녀가 되었고, 결국 아름다운 성적표를 가지고 파웰의 대학원생이 되었습니다.

똑똑하고 결단력 있는 그녀는 팀에 합류한 후 이틀만 쉬고 1947년 6월에 일을 시작했습니다. 그녀가 "타우" 중간자의 붕괴를 발견했을 때, 그녀가 처음으로 말한 사람은 동료 박사과정 학생인 피터 파울러였습니다.（피터 H. 파울러）. "우리는 발견의 순간을 즐기며 관찰하고 생각하는 시간을 보냈습니다. 그런 다음 다른 사람들에게 말했습니다."라고 그녀는 말했습니다. 핵물리학의 선구자 어니스트 러더퍼드（어니스트 러더퍼드, 1871-1937）손자, 양자물리학의 선구자 랄프 파울러(Ralph H. Fowler, 1889-1944; Dirac의 멘토)의 아들인 피터 파울러(Peter Fowler)는 뛰어난 젊은 물리학자로 인정받았습니다. 그는 로즈마리보다 3살 많았지만 로즈마리보다 1년 늦게 학교에 입학했고, 군 복무로 인해 학업이 중단되었습니다. 두 사람은 1949년에 결혼했고, 이때 로즈마리는 학계를 떠나기로 결정했습니다. 로즈마리의 강력한 지원으로 그녀의 남편인 피터 파울러(Peter Fowler)는 우주선의 실험적 탐지에서 중요한 결과를 달성하는 등 매우 뛰어난 경력을 쌓았습니다.

박사 학위를 마치지 못한 채 학계를 떠난 이유를 묻는 질문에 로즈마리의 대답은 실용적이었습니다. 식량과 주택이 부족한 어려운 시대에 살고 있는 그녀의 세 딸에게는 보살핌과 지원이 필요했기 때문에 그녀는 피터 파울러가 물리학 분야에서 계속 일하도록 하기로 결정했습니다. 로즈마리의 딸 메리 파울러(메리 파울러)회상: “어렸을 때 저는 물리학자가 되고 싶었습니다. 부모님 모두 물리학자였고 물리학과 연구는 우리 모두에게 영향을 미쳤습니다. 우리 모두는 과학과 수학에 열정적이었습니다. 누구도 소녀들이 할 수 없다고 생각했습니다. 그렇게 하세요." 그녀는 현재 저명한 지구물리학자이자 케임브리지 다윈 칼리지의 전 총장입니다. 로즈마리 파울러는 거동이 불편했기 때문에 학위 수여식은 케임브리지 다윈 칼리지에서 열렸습니다.

시간이 지남에 따라 다양한 출판물에서 Rosemary의 공헌은 종종 남편이나 Powell의 것으로 간주되었습니다. 그러나 Powell은 이번 발견에 대한 Rosemary의 주요 기여를 명시적으로 인정했습니다. 그러나 이는 여성 과학자의 기여가 종종 간과되거나 남성 과학자의 공헌으로 여겨지는 "마틸다" 효과의 한 예인 것 같습니다.[마틸다 효과(Matilda Effect)는 미국 작가이자 활동가인 마틸다 조슬린 게이지(Matilda Joslyn Gage)의 이름을 따서 명명되었습니다. 1870년에 그녀는 "발명가로서의 여성"이라는 책을 썼습니다.발명가로서의 여성) 여성에게 창의력과 과학적 재능이 부족하다는 당시 널리 퍼진 견해를 비난하는 팜플렛입니다. ]

로즈마리는 기여가 과소평가된 유일한 과학자가 아닙니다. 파웰은 감광성 라텍스 기술을 사용하여 파이온을 발견한 공로로 1950년 노벨 물리학상을 수상했지만, 이 기술을 창시한 오스트리아 물리학자 마리에타 블라우(Marietta Blau)는（마리에타 블라우, 1894-1970）그녀는 이후 인도 물리학자인 Biba Chaudhry에 의해 여러 차례 노벨상 후보로 지명되었음에도 불구하고 그녀의 기여는 무시되었습니다.(비바 초우두리, 1913-1991)파이온에 대한 증거는 제2차 세계 대전 중 Nature에 발표된 논문에도 나타났으며, 그녀의 연구는 Blau의 연구보다 훨씬 덜 알려져 있습니다.

로즈마리가 발견된 지 75년이 지난 지금, 그녀는 명예박사 학위를 받았으며, 이는 사람들이 로즈마리의 중요한 공헌을 항상 기억할 것임을 입증했습니다.

참고자료

[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