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Recentemente, a Universidade de Bristol, no Reino Unido, concedeu um doutorado honorário a Rosemary Fowler, de 98 anos. Durante seus estudos de doutorado, ela descobriu um processo de decaimento de partículas que na época era considerado estranho. gatilho) a reescrita da física." "Lei dos Eventos"; é também a razão que fez Li Zhengdao e Yang Zhenning pensarem se a paridade é conservada. Mas Rosemary Fowler deixou a academia por motivos familiares, e seu excelente trabalho raramente foi mencionado desde então. Agora, a sua alma mater reconhece a sua contribuição em nome do mundo.

Compilado | Liu Hang

Há 75 anos, uma descoberta aparentemente desconhecida na física de partículas fez com que os físicos repensassem as simetrias mais fundamentais da natureza. Sua descobridora - Rosemary Fowler, de 98 anos(Rosemary Fowler, 1926-)Ms, que recentemente recebeu o título honorário de Doutor em Ciências pela sua alma mater, a Universidade de Bristol, desistiu de seu doutorado por motivos familiares. Paul Nurse, vice-reitor da Universidade de Bristol e ganhador do Prêmio Nobel(Paul Enfermeiro)Uma cerimônia de atribuição de diploma foi realizada pessoalmente para ela. Foi em Bristol que sua descoberta do decaimento de um méson K em três mésons π levou finalmente a uma revolução na teoria da física de partículas;NaturezaA revista descreveu sua descoberta como “um evento que reescreve as leis da física”.

Rosemary Fowler recebeu um doutorado honorário Fonte: davidjohnsonphotographic.co.uk |

Descoberta de raios cósmicos

As décadas anteriores e posteriores à Segunda Guerra Mundial foram um período florescente para a descoberta de partículas. Na década de 1930, com o desenvolvimento de nêutrons e múons(Léptons de segunda geração)e com a descoberta da primeira partícula de antimatéria, o pósitron, a lista de partículas subatômicas se expandiu muito além dos elétrons e prótons. Naquela época, a Universidade de Bristol tinha a principal equipe mundial de física de raios cósmicos, sob a liderança de Cecil Powell.(Cecil Powell, 1903-1969)Sob a liderança do professor, o laboratório aperfeiçoou a tecnologia de utilização de filmes fotossensíveis para estudar os raios cósmicos. Antes disso, devido à baixa sensibilidade do látex, ele só conseguia registrar os rastros de algumas partículas com menor energia e maior ionização. Era fácil perder partículas com maior energia e menor ionização, o que reduzia a chance de descoberta de novas partículas. Powell e seus colaboradores melhoraram a sensibilidade do látex e aumentaram a espessura do látex, fazendo com que as partículas carregadas se ionizassem ao passar pelo látex. Após o desenvolvimento, elas aparecem como grãos pretos e deixam rastros. O grupo experimental de Powell está trabalhando arduamente para encontrar novas partículas elementares dos raios cósmicos.

Em 1947, Cecil Powell confirmouπA existência de mésons, as partículas mais leves da família dos mésons. Já em 1934, o físico japonês Hideki Yukawa（Hideki Yukawa, 1907-1981）Foi previstoπméson. Yukawa levantou a hipótese de que prótons e nêutrons se atraem através de um determinado campo.πMésons, que servem como portadores da força nuclear forte – a interação residual da interação forte.(Os mésons são compostos por um par de quarks positivos e negativos, e a forte interação entre os quarks é transmitida através dos glúons.)

Em dezembro de 1947, George Rochester, da Universidade de Manchester, Inglaterra(George Rochester, 1908-2001)e Clifford Butler(Mordomo de Clifford, 1922-1999)Levando a pesquisa de mésons a um novo estágio. Eles analisaram cuidadosamente 5.000 fotos de câmaras de nuvens e descobriram o que é conhecido comoθde partículas estranhas - um méson eletricamente neutro que decai em doisπméson. Alguns meses depois, Rosemary descobriu partículas muito semelhantes às partículas teta.

Em 1948, Rosemary, de 22 anos, era estudante de doutorado no grupo de Cecil Powell. Seu trabalho de pesquisa consiste em observar fotos de látex leve expostas a raios cósmicos no laboratório de alta altitude de Jungfraujoch, na Suíça, e estudar o processo de reação de partículas de alta energia analisando os rastros de partículas nas fotos de látex. Ela descobriu algo incomum - um decaiu em trêsπA partícula exótica do méson. Mais tarde, ela lembrou: "Eu soube imediatamente que esta era uma nova descoberta e que era significativa. Estávamos vendo resultados que nunca tínhamos visto antes." para partículas, então conhecido comoτméson.

Surpreendentemente, o méson tau deveria ser aquele que o time de Manchester já tinha visto antesθUma imagem espelhada de uma partícula que parece idêntica em todos os aspectos: mesma massa, mesmo spin, etc. Mas eles decaem de maneiras completamente diferentes:τMeson decai em trêsπméson, eθdecair em doisπméson. A descoberta de Rosemary parece quebrar a “simetria do espelho” ou “simetria de paridade”, onde os dois processos têm paridades opostas.

A trilha de raios cósmicos "tau" descoberta por Rosemary Fowler. "τ méson" decai no ponto A paraπ++π++π-，π-Então ele se quebra no ponto B.丨Fonte da imagem: Nature, 163, 82(1949).

Nos primeiros dias do desenvolvimento de aceleradores de partículas, este método de tirar fotos de raios cósmicos em látex era o principal método experimental para estudar a física de partículas de alta energia. Rosemary estava convencida de sua descoberta e a equipe de pesquisa conduziu um intenso período de análise. "Muitas medições e cálculos tiveram que ser feitos antes que esta descoberta pudesse ser publicada. Sabíamos que esta era uma descoberta importante, por isso trabalhamos muito para fazer tudo o mais rápido possível", disse Rosemary.

Rosemary e outros escreveram três artigos em um curto período de tempo, dois dos quais foram publicados na revista "Nature" em janeiro de 1949. Rosemary foi a primeira autora e usou seu sobrenome Brown.(R. Brown). Isso está de acordo com a convenção de ordem alfabética de artigos sobre física de partículas e ilustra sua principal contribuição para este trabalho. E o que realmente explica isso chato"θ-τ"Paradoxo, os físicos de partículas passaram quase uma década.

Quebra da simetria do espelho

Antes disso, acreditava-se geralmente que as leis da física eram simétricas, o que significa que a imagem espelhada de qualquer processo físico também era um processo físico possível. A descoberta de Rosemary despertou o interesse dos cientistas, que passaram a estudar mais profundamente a “paridade” – simetria que antes era considerada uma propriedade fundamental da natureza.

Na física de partículas, a paridade é expressa como um número quântico que descreve o comportamento de uma partícula ou campo quando o eixo coordenado do espaço é invertido. A paridade total é calculada multiplicando os números de paridade de todas as partículas envolvidas nas diferentes etapas do processo. Se a paridade for conservada, a paridade total não pode mudar.

πA paridade do méson é -1, descoberta por RosemaryτO méson decai para o estado final de três mésons e sua paridade também deve ser -1. masθA paridade do estado final de um méson duplo em decomposição é +1. Se a paridade for conservada, então as partículas iniciais nos dois processos também deverão ter paridades diferentes e, portanto, ser tipos de partículas diferentes. Mas nenhuma teoria pode explicar por que dois tipos diferentes de partículas têm exatamente a mesma massa. isso é famosoθ-τmistério.

Naquela época, muitos grupos colaborativos seguiram seus passos, estudando cuidadosamente as fotos das câmaras de nuvens e usando balões meteorológicos para enviar um grande número de negativos de látex fotossensíveis à atmosfera para encontrarτSinais de decadência do méson. Em 1953, os físicos observaram um total de 11 ocorrências. Laboratório Nacional Lawrence Berkeley（Laboratório Nacional Lawrence Berkeley）O grande acelerador de partículas Bevatron começou a operar em 1954 e produziu 35 exemplares em 1955. Grandes aceleradores de partículas fornecem outro método de pesquisa importante além dos raios cósmicos para a pesquisa em física de partículas. No processo, os cientistas introduziram uma nova convenção de nomenclatura: as partículas exóticas inicialmente descobertas foram chamadas de mésons K, enquantoθeτentão consulte o decaimento para dois e três, respectivamenteπO padrão dos mésons.

Através de medições mais precisas, foi confirmado que as massas dos dois tipos de mésons K são de fato as mesmas, o que tornaθ-τO mistério se torna ainda mais confuso. Em abril de 1956, físicos de partículas realizaram uma reunião em Rochester, Nova York, para discutir o méson K e várias outras partículas intrigantes e exóticas que haviam sido descobertas durante esse período. Embora Rosemary e Powell não estivessem presentes na reunião, Gell-Mann（Murray Gell-Mann, 1929-2019）Feynman(Richard Feynman, 1918-1988)Vários cientistas de destaque participaram da reunião. Na memória de Gell-Mann, Feynman e o experimentalista Martin Block(Martin Block, 1925-2016)Morando em um quarto, Block perguntou-lhe: “E se a paridade não for conservada? θeτNão pode ser a mesma partícula? “Feynman também levantou esta questão na reunião.

Foto tirada na Escola de Física da Universidade de Bristol. Na foto, do lado esquerdo da última fila, encostada em um pilar, está Rosemary.丨Fonte: Universidade de Bristol

Acontece que ninguém pode realmente provar a conservação da paridade, especialmente em interações fracas como o decaimento. Li Zhengdao e Yang Zhenning também participaram dessa reunião. Após uma pesquisa cuidadosa, eles descobriram que, de fato, se a paridade é conservada em interações fracas, não foi testado. Em outubro do mesmo ano, eles publicaram um artigo e propuseram vários experimentos específicos. para verificar se a paridade é conservada. No início, o seu artigo foi questionado porque a conservação da paridade tem sido a visão padrão de longa data da maioria dos físicos, mesmo apostando com probabilidades de 50 vezes contra a não conservação da paridade; Em 1956, Li Zhengdao discutiu questões relacionadas com Wu Jianxiong, um dos especialistas mais respeitados no campo da decadência no mundo da época, e Wu Jianxiong decidiu realizar experimentos. Devido à importância do experimento, Wu Jianxiong desistiu de sua viagem planejada de volta à China para visitar parentes e organizou uma equipe experimental para iniciar um trabalho experimental detalhado. Ao observar o decaimento beta do cobalto-60, eles descobriram que a maioria dos elétrons finais foram emitidos na direção oposta à polarização do cobalto-60. No experimento de Wu, o forte campo magnético polarizou a direção do momento angular, ou seja, a direção do spin, e em princípio não restringiu a direção do movimento do elétron final. Portanto, se a paridade for conservada, então o elétron do estado final, ou seja, o elétron emitidoβAs direções dos raios devem ter a mesma probabilidade de estar nas direções positiva e negativa da direção de polarização nuclear. A experiência detectou apenas raios na direcção oposta à polarização nuclear, pelo que puderam concluir que a conservação da paridade não se aplica a interacções fracas.(Nota do editor: Consulte "Não conservação da paridade e o experimento de Wu que os alunos do ensino médio podem entender")Desde então, mais resultados experimentais se seguiram, até que a não conservação da paridade sob interações fracas fosse inegável.

A resposta a este enigma é que os dois mésons K são a mesma partícula e a paridade não é uma simetria fundamental das interações fracas na natureza.

O experimento de Wu Jianxiong foi muito inteligente. Ela também conseguiu provar que a natureza quebra outra simetria - C.(conjugação de carga)Simetria, ou seja, se todas as partículas da interação fossem substituídas por suas antipartículas, o processo deveria acontecer da mesma forma. Esta descoberta fez os físicos perceberem que não apenas a conservação da paridade, mas também outras simetrias hipotéticas na natureza precisam ser testadas com precisão. "CP" - a combinação de conservação de carga e conservação de paridade, foi considerada estabelecida na época, mas mais tarde foi comprovada como destruída no experimento de decaimento do méson K de 1964. A violação do CP tem um significado mais profundo do que a violação da paridade e pode estar relacionada ao fato de haver mais matéria do que antimatéria no universo.

O abandono da conservação da paridade teve um impacto profundo nos físicos. A descoberta de Rosemary reescreveu o caminho de desenvolvimento da física de partículas. A compreensão das pessoas sobre as partículas elementares e suas interações, especialmente o conceito básico de simetria, sofreu mudanças terríveis. Hoje, os físicos ainda usam vários experimentos para estudar a quebra de simetria no decaimento de partículas, em busca de uma nova física além do Modelo Padrão da física de partículas.

O efeito "Matilda"

A história de Rosemary levanta a questão: por que tão poucas pessoas ouviram falar dela? Uma razão pode ser que a igualdade de género era difícil de alcançar na maioria dos departamentos de física e até mesmo na comunidade científica do seu tempo. O laboratório de Powell é uma exceção. Durante a guerra, quando os homens foram obrigados a servir nas forças armadas, novos métodos científicos estavam a ser desenvolvidos no laboratório de Powell: imagens de raios cósmicos utilizando tecnologia de fotossensibilidade em látex, um esforço que exigia muita mão-de-obra. O laboratório de Powell coletou um grande número de fotos de raios cósmicos e ele contratou muitos scanners.(a maioria são mulheres)Pesquisando meticulosamente as fotos, trazendo algo incomum ou interessante para um físico para análise posterior.

Rosemary Fowler não é uma scannera. Ela foi uma das poucas mulheres convidadas para fazer doutorado em física e recebeu um diploma de bacharel de primeira classe – uma conquista incomum para qualquer pessoa, especialmente naquela época. Rosemary mostrou excelente talento em ciências depois de ir para a escola. Ela era boa em matemática, mas não estava muito interessada em escrever. Isso pode estar relacionado ao fato de seu pai ser um engenheiro da Marinha Real Britânica. Ela se tornou a única garota de sua série a entrar na faculdade e, eventualmente, tornou-se aluna de pós-graduação de Powell com um belo histórico escolar.

Inteligente e decidida, tirou apenas dois dias de folga após ingressar na equipe e começou a trabalhar em junho de 1947. Quando ela descobriu a decadência do méson "tau", a primeira pessoa a quem contou foi seu colega de doutorado, Peter Fowler.(Peter H. Fowler). “Passamos algum tempo observando e pensando, aproveitando o momento da descoberta. Depois contei para outras pessoas”, disse ela. Pioneiro da física nuclear Ernest Rutherford(Ernest Rutherford, 1871-1937)neto, pioneiro da física quântica Ralph Fowler(Ralph H. Fowler, 1889-1944; mentor de Dirac)O filho de Peter, Peter Fowler, era um jovem físico brilhante e reconhecido. Ele era três anos mais velho que Rosemary, mas ingressou na escola um ano depois dela, e seus estudos foram interrompidos pelo serviço militar. Os dois se casaram em 1949, época em que Rosemary decidiu deixar a academia. Com o forte apoio de Rosemary, seu marido, Peter Fowler, seguiu uma carreira muito destacada, alcançando resultados importantes na detecção experimental de raios cósmicos.

Quando questionada sobre por que ela abandonou a carreira acadêmica sem concluir o doutorado depois disso, a resposta de Rosemary foi pragmática. Vivendo numa época difícil de escassez de alimentos e de habitação, as suas três filhas precisavam de cuidados e apoio, por isso ela decidiu deixar Peter Fowler continuar a trabalhar em física. Ela achou que este era o melhor acordo. Filha de Rosemary, Mary Fowler(Mary Fowler)Relembra: “Quando criança eu queria ser física, ambos os pais eram físicos e a física e a investigação eram o assunto da mesa da cozinha. Rosemary influenciou-nos a todos – éramos todos apaixonados por ciências e matemática. faça isso." Ela é agora uma distinta geofísica e ex-presidente do Darwin College, Cambridge. Como Rosemary Fowler tinha mobilidade limitada, a cerimônia de premiação foi realizada no Darwin College, em Cambridge.

Com o tempo, em diversas publicações, as contribuições de Rosemary foram frequentemente atribuídas ao seu marido ou a Powell. Mas Powell reconheceu explicitamente a grande contribuição de Rosemary para a descoberta. Mas parece ser um exemplo do efeito “Matilda”, em que as contribuições das mulheres cientistas são frequentemente ignoradas ou atribuídas aos seus homólogos masculinos.[O Efeito Matilda recebeu o nome da escritora e ativista americana Matilda Joslyn Gage. Em 1870, ela escreveu um livro chamado "Mulher como Inventora" (A mulher como inventora), condenando a visão amplamente difundida na época de que as mulheres careciam de criatividade e talento científico. ]

Rosemary não é a única cientista cujas contribuições foram subvalorizadas. Powell ganhou o Prêmio Nobel de Física em 1950 pela descoberta de píons usando tecnologia de látex fotossensível, mas a inventora da tecnologia, a física austríaca Marietta Blau,(Marietta Blau, 1894-1970)Sua contribuição foi ignorada, embora ela tenha sido posteriormente indicada várias vezes como candidata ao Prêmio Nobel pelo físico indiano Biba Chaudhry;（Bibha Choudhuri, 1913-1991）Evidências de píons também apareceram em artigos publicados na Nature durante a Segunda Guerra Mundial, e seu trabalho é ainda menos conhecido que o de Blau...

Agora, 75 anos após a descoberta de Rosemary, ela recebeu um doutorado honorário, provando que as pessoas sempre se lembrarão de sua importante contribuição.

Referências

[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