новости

Недавно Бристольский университет в Великобритании присвоил звание почетного доктора 98-летней Розмари Фаулер. Во время учебы в докторантуре она открыла процесс распада частиц, который в то время считался странным. триггер) переписывание физики». «Закон событий»; это также причина, которая заставила Ли Чжэндао и Ян Чжэньнина задуматься о том, сохраняется ли паритет. Но Розмари Фаулер покинула академию по семейным обстоятельствам, и с тех пор ее выдающаяся работа редко упоминается. Теперь ее альма-матер признает ее вклад от имени всего мира.

Составлено | Лю Ханг

75 лет назад, казалось бы, неизвестное открытие в физике элементарных частиц заставило физиков переосмыслить самые фундаментальные симметрии природы. Его первооткрывательница — 98-летняя Розмари Фаулер.(Розмари Фаулер, 1926-)Г-жа, которой недавно была присвоена степень почетного доктора наук в ее альма-матер, Бристольском университете, отказалась от докторской степени по семейным обстоятельствам. Пол Нерс, вице-канцлер Бристольского университета и лауреат Нобелевской премии(Пол Нерс)Церемония вручения ученой степени была проведена для нее лично. Именно в Бристоле ее открытие распада К-мезона на три π-мезона в конечном итоге привело к революции в теории физики элементарных частиц;ПриродаЖурнал описал ее открытие как «событие, которое переписывает законы физики».

Розмари Фаулер удостоена звания почетного доктора Источник: davidjohnsonphotographic.co.uk

Открытие космических лучей

Десятилетия до и после Второй мировой войны были периодом расцвета открытия частиц. В 1930-е годы с развитием нейтронов и мюонов(лептоны второго поколения)и открытие первой частицы антиматерии, позитрона, список субатомных частиц расширился далеко за пределы электронов и протонов. В то время в Бристольском университете располагалась ведущая в мире группа по физике космических лучей под руководством Сесила Пауэлла.(Сесил Пауэлл, 1903-1969)Под руководством профессора в лаборатории отработана технология использования светочувствительных пленок для изучения космических лучей. До этого из-за низкой чувствительности латекса он мог регистрировать лишь следы некоторых частиц с меньшей энергией и более высокой ионизацией. Частицы с более высокой энергией и более низкой ионизацией было легко пропустить, что снижало вероятность открытия новых частиц. Пауэлл и его коллеги улучшили чувствительность латекса и увеличили его толщину, заставляя заряженные частицы ионизироваться при прохождении через латекс. После проявления они выглядят как черные зерна и оставляют следы. Экспериментальная группа Пауэлла усердно работает над поиском новых элементарных частиц из космических лучей.

В 1947 году Сесил Пауэлл подтвердилπСуществование мезонов, легчайших частиц семейства мезонов. Еще в 1934 году японский физик Хидеки Юкава（Хидэки Юкава，1907-1981）Это было предсказаноπмезон. Юкава выдвинул гипотезу, что протоны и нейтроны притягиваются друг к другу посредством определенного поля.πМезоны, служащие переносчиками сильного ядерного взаимодействия — остаточное взаимодействие сильного взаимодействия.(Мезоны состоят из пары положительных и отрицательных кварков, и сильное взаимодействие между кварками передается через глюоны.)

В декабре 1947 года Джордж Рочестер из Манчестерского университета, Англия.(Джордж Рочестер, 1908-2001)и Клиффорд Батлер(Клиффорд Батлер, 1922-1999)Выводим исследования мезонов на новый этап. Они тщательно проанализировали 5000 фотографий камеры Вильсона и обнаружили то, что известно какθстранных частиц — электрически нейтрального мезона, распадающегося на дваπмезон. Несколько месяцев спустя Розмари обнаружила частицы, очень похожие на тета-частицы.

В 1948 году 22-летняя Розмари была аспирантом в группе Сесила Пауэлла. Ее исследовательская работа заключается в наблюдении световых латексных фотографий, подвергшихся воздействию космических лучей, в высотной лаборатории Юнгфрауйох в Швейцарии, а также изучении процесса реакции частиц высокой энергии путем анализа треков частиц на латексных фотографиях. Она обнаружила нечто необычное — одно распалось на три.πЭкзотическая частица мезон. Позже она вспоминала: «Я сразу поняла, что это новое открытие и что оно имеет большое значение. Мы увидели результаты, которых никогда раньше не видели». Трек, который она наблюдала, позже был назван «k-треком» и оказался неизвестным. для частиц, тогда известных какτмезон.

Как ни странно, тау-мезон должен быть тем, который манчестерская команда видела раньше.θЗеркальное изображение частицы, которая выглядит идентично во всех отношениях: та же масса, тот же спин и т. д. Но распадаются они совершенно по-разному:τМезон распадается на триπмезон иθраспадаться на две частиπмезон. Открытие Розмари, похоже, нарушает «зеркальную симметрию» или «симметрию четности», когда два процесса имеют противоположные четности.

След космических лучей «тау», открытый Розмари Фаулер. «τ-мезон» распадается в точке А доπ++π++π-，π-Затем он распадается в точке Б.丨Источник изображения: Природа, 163, 82 (1949).

На заре разработки ускорителей частиц этот метод получения латексных фотографий космических лучей был основным экспериментальным методом изучения физики частиц высоких энергий. Розмари была убеждена в своем открытии, и исследовательская группа провела интенсивный анализ. «Прежде чем это открытие можно было опубликовать, пришлось провести множество измерений и расчетов. Мы знали, что это важное открытие, поэтому очень усердно работали, чтобы сделать все как можно быстрее», — сказала Розмари.

Розмари и другие написали три статьи за короткий период времени, две из которых были опубликованы в журнале «Nature» в январе 1949 года. Розмари была первым автором и использовала свою фамилию Браун.(Р. Браун). Это соответствует алфавитному порядку статей по физике элементарных частиц и иллюстрирует ее главный вклад в эту работу. И чем на самом деле объясняется это досадное»θ-τ«Парадокс, физики элементарных частиц потратили почти десять лет.

Нарушение зеркальной симметрии

До этого считалось, что законы физики симметричны, а это означает, что зеркальное отражение любого физического процесса также является возможным физическим процессом. Открытие Розмари вызвало интерес учёных, которые начали более глубоко изучать «чётность» — симметрию, ранее считавшуюся фундаментальным свойством природы.

В физике элементарных частиц четность выражается как квантовое число, описывающее поведение частицы или поля, когда ось координат пространства переворачивается. Общая четность рассчитывается путем умножения чисел четности всех частиц, участвующих на разных стадиях процесса. Если четность сохраняется, то общая четность не может измениться.

πЧетность мезона равна -1, открыта Розмари.τМезон распадается в конечное состояние трех мезонов, и его четность также должна быть -1. ноθЧетность конечного состояния распадающегося двойного мезона равна +1. Если четность сохраняется, то исходные частицы в обоих процессах также должны иметь разную четность и, следовательно, быть разными типами частиц. Но ни одна теория не может объяснить, почему два разных типа частиц имеют одинаковую массу. это известноθ-τтайна.

В то время многие совместные группы следовали по ее стопам, тщательно изучая фотографии камеры Вильсона и используя метеозонды, чтобы отправить в атмосферу большое количество светочувствительных латексных негативов, чтобы найти их.τПризнаки распада мезона. К 1953 году физики наблюдали в общей сложности 11 случаев. Национальная лаборатория Лоуренса Беркли(Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли)Большой ускоритель частиц Беватрон начал работу в 1954 году и к 1955 году произвел 35 экземпляров. Большие ускорители частиц предоставляют еще один важный метод исследования, помимо космических лучей, для исследований в области физики элементарных частиц. При этом ученые ввели новое соглашение об именах: первоначально открытые экзотические частицы назывались К-мезонами, аθиτзатем обратитесь к распаду на два и три соответственноπЗакономерность мезонов.

Путем более точных измерений было подтверждено, что массы двух типов К-мезонов действительно одинаковы, что делаетθ-τТайна становится еще более запутанной. В апреле 1956 года физики элементарных частиц провели встречу в Рочестере, штат Нью-Йорк, чтобы обсудить К-мезон и несколько других загадочных и экзотических частиц, открытых в тот период. Хотя Розмари и Пауэлл не присутствовали на встрече, Гелл-Манн（Мюррей Гелл-Манн，1929-2019）Фейнман(Ричард Фейнман, 1918-1988)На встрече присутствовало несколько выдающихся ученых. Памяти Гелл-Манна, Фейнмана и экспериментатора Мартина Блока(Мартин Блок, 1925-2016)Живя в комнате, Блок спросил его: «А что, если четность не сохраняется? θиτНе может ли это быть одна и та же частица? «Фейнман также поднял этот вопрос на встрече.

Фотография сделана из Школы физики Бристольского университета. На фотографии слева в заднем ряду, прислонившись к колонне, стоит Розмари.丨Источник: Бристольский университет.

Оказывается, никто не может доказать сохранение четности, особенно в слабых взаимодействиях, таких как распад. Ли Чжэндао и Ян Чжэньнин также приняли участие в этой встрече. После тщательного исследования они обнаружили, что на самом деле вопрос сохранения четности в слабых взаимодействиях не проверялся. В октябре того же года они опубликовали статью и предложили несколько конкретных экспериментов. чтобы проверить, сохраняется ли четность. Поначалу их статья была подвергнута сомнению, потому что сохранение четности было давней стандартной точкой зрения большинства физиков, даже с коэффициентом 50, ставившим против несохранения четности; В 1956 году Ли Чжэндао обсудил связанные с этим вопросы с У Цзяньсюном, одним из самых авторитетных экспертов в области распада в мире того времени, и У Цзяньсюн решил провести эксперименты. Из-за важности эксперимента У Цзяньсюн отказался от запланированной поездки обратно в Китай, чтобы навестить родственников, и организовал экспериментальную группу, чтобы начать детальную экспериментальную работу. Наблюдая за бета-распадом кобальта-60, они обнаружили, что большая часть конечных электронов испускалась в направлении, противоположном поляризации кобальта-60. В эксперименте Ву сильное магнитное поле поляризовало направление углового момента, то есть направление спина, и принципиально не ограничивало направление движения конечного электрона. Следовательно, если четность сохраняется, то электрон в конечном состоянии, то есть испускаемыйβНаправления лучей должны с равной вероятностью находиться в положительном и отрицательном направлениях направления поляризации ядра. Эксперимент обнаружил только лучи в направлении, противоположном поляризации ядра, поэтому они могли прийти к выводу, что сохранение четности не выполняется в слабых взаимодействиях.(Примечание редактора: см. «Несохранение четности и эксперимент Ву, понятный ученикам средней школы»)С тех пор последовали новые экспериментальные результаты, пока несохранение четности при слабых взаимодействиях не стало неоспоримым.

Ответ на эту загадку состоит в том, что два K-мезона — это одна и та же частица, а четность не является фундаментальной симметрией слабых взаимодействий в природе.

Эксперимент У Цзяньсюн был очень умным. Ей также удалось доказать, что природа нарушает еще одну симметрию — С.(зарядовое сопряжение)Симметрия, означающая, что если бы все частицы во взаимодействии были заменены их античастицами, процесс должен был бы происходить таким же образом. Это открытие заставило физиков осознать, что необходимо точно проверять не только сохранение четности, но и другие гипотетические симметрии в природе. «CP» - комбинация сохранения заряда и сохранения четности, в то время считалась установленной, но позже было доказано, что она разрушена в эксперименте по распаду K-мезона 1964 года. CP-нарушение имеет более глубокое значение, чем нарушение четности, и может быть связано с тем, что во Вселенной больше материи, чем антиматерии.

Отказ от сохранения четности оказал глубокое влияние на физиков. Открытие Розмари изменило путь развития физики элементарных частиц. Понимание людьми элементарных частиц и их взаимодействий, особенно базовой концепции симметрии, претерпело потрясающие изменения. Сегодня физики все еще используют различные эксперименты для изучения нарушения симметрии при распаде частиц в поисках новой физики, выходящей за рамки Стандартной модели физики элементарных частиц.

Эффект «Матильды»

История Розмари вызывает вопрос: почему так мало людей слышали о ней? Одной из причин может быть то, что гендерного равенства было трудно достичь на большинстве факультетов физики и даже в научном сообществе того времени. Лаборатория Пауэлла является исключением. Во время войны, когда мужчины должны были служить в армии, в лаборатории Пауэлла разрабатывались новые научные методы: получение изображений космических лучей с использованием технологии латексной фоточувствительности, что было трудоемким занятием. Лаборатория Пауэлла собрала большое количество фотографий космических лучей, и он нанял множество сканеров.(большинство из них женщины)Кропотливо просматривая фотографии, принося физику для дальнейшего анализа что-нибудь необычное или интересное.

Розмари Фаулер не сканер. Она была одной из немногих женщин, приглашенных учиться на доктора физики, и получила первоклассную степень бакалавра – необычное достижение для любого человека, особенно в те времена. После учебы в школе Розмари проявила выдающиеся способности к науке. Она хорошо разбиралась в математике, но не очень интересовалась писательством. Возможно, это связано с тем, что ее отец был инженером Королевского военно-морского флота Великобритании. Она стала единственной девочкой в ​​своем классе, поступившей в колледж, и в итоге стала аспиранткой Пауэлла с прекрасной успеваемостью.

Будучи умной и решительной, она взяла всего два дня отпуска после прихода в коллектив и приступила к работе уже в июне 1947 года. Когда она обнаружила распад «тау»-мезона, первым, кому она рассказала, был ее сокурсник Питер Фаулер.(Питер Х. Фаулер). «Мы провели некоторое время, наблюдая и размышляя, наслаждаясь моментом открытия. Потом я рассказала другим», — сказала она. Пионер ядерной физики Эрнест Резерфорд(Эрнест Резерфорд, 1871-1937)внук, пионер квантовой физики Ральф Фаулер(Ральф Х. Фаулер, 1889–1944; наставник Дирака)сын Питера Фаулера был признанным блестящим молодым физиком. Он был на три года старше Розмари, но пошел в школу на год позже нее, его учеба была прервана военной службой. Они поженились в 1949 году, когда Розмари решила покинуть академию. При сильной поддержке Розмари ее муж Питер Фаулер сделал выдающуюся карьеру, достигнув важных результатов в экспериментальном обнаружении космических лучей.

Когда ее спросили, почему она оставила академическую карьеру, не защитив после этого докторскую диссертацию, ответ Розмари был прагматичным. Живя в трудную эпоху нехватки еды и жилья, три ее дочери нуждались в заботе и поддержке, поэтому она решила позволить Питеру Фаулеру продолжать заниматься физикой. Она считала, что это лучшее решение. Дочь Розмари Мэри Фаулер(Мэри Фаулер)Вспоминает: «В детстве я хотела стать физиком, оба родителя были физиками, а физика и исследования были предметом разговоров на кухонном столе! Розмари повлияла на всех нас – мы все были увлечены наукой и математикой. Никто не думал, что девочки не могут этого сделать. сделай это». Сейчас она выдающийся геофизик и бывший президент Дарвиновского колледжа в Кембридже. Поскольку Розмари Фаулер была ограничена в передвижении, церемония вручения степени была проведена в Дарвин-колледже в Кембридже.

Со временем в различных публикациях вклад Розмари часто приписывался ее мужу или Пауэллу. Но Пауэлл открыто признал главный вклад Розмари в это открытие. Но, похоже, это пример эффекта «Матильды», когда вклад женщин-ученых часто игнорируется или приписывается их коллегам-мужчинам.[Эффект Матильды назван в честь американской писательницы и активистки Матильды Джослин Гейдж. В 1870 году она написала книгу под названием «Женщина как изобретательница» (Женщина как изобретатель) брошюра, осуждающая широко распространенное в то время мнение о том, что женщинам не хватает творческих способностей и научного таланта. ]

Розмари — не единственный ученый, чей вклад недооценен. Пауэлл получил Нобелевскую премию по физике 1950 года за открытие пионов с помощью технологии светочувствительного латекса, но изобретательница этой технологии, австрийский физик Мариетта Блау,(Мариетта Блау, 1894-1970)Ее вклад был проигнорирован, хотя позже Шредингер много раз выдвигал ее кандидатом на Нобелевскую премию индийский физик Биба Чаудри;（Бибха Чоудхури, 1913-1991）Доказательства существования пионов также появились в статьях, опубликованных в журнале Nature во время Второй мировой войны, а ее работа еще менее известна, чем работа Блау...

Теперь, спустя 75 лет после открытия Розмари, она удостоена звания почетного доктора, что доказывает, что люди всегда будут помнить ее важный вклад.

Ссылки

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

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