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Recientemente, la Universidad de Bristol en el Reino Unido otorgó un doctorado honorario a Rosemary Fowler, de 98 años. Durante sus estudios de doctorado, descubrió un proceso de desintegración de partículas que en ese momento se consideraba extraño. desencadenante) la reescritura de la física." "Ley de los Eventos"; es también la razón que hizo que Li Zhengdao y Yang Zhenning pensaran sobre si se conserva la paridad. Pero Rosemary Fowler dejó la academia por motivos familiares, y desde entonces rara vez se ha mencionado su destacado trabajo. Ahora, su alma mater reconoce su contribución en nombre del mundo.

Compilado | Liu colgar

Hace 75 años, un descubrimiento aparentemente desconocido en física de partículas hizo que los físicos repensaran las simetrías más fundamentales de la naturaleza. Su descubridora: Rosemary Fowler, de 98 años.(Rosemary Fowler, 1926-)La Sra., a quien recientemente su alma mater, la Universidad de Bristol le otorgó un título honorario de Doctora en Ciencias, había abandonado su doctorado por motivos familiares. Paul Nurse, vicerrector de la Universidad de Bristol y premio Nobel(Paul Enfermera)Se llevó a cabo personalmente una ceremonia de entrega de su título. Fue en Bristol donde su descubrimiento de la desintegración de un mesón K en tres mesones π condujo finalmente a una revolución en la teoría de la física de partículas;NaturalezaLa revista describió su descubrimiento como "un evento que reescribe las leyes de la física".

Rosemary Fowler recibió un doctorado honorario Fuente: davidjohnsonphotographic.co.uk

Descubrimiento de los rayos cósmicos

Las décadas anteriores y posteriores a la Segunda Guerra Mundial fueron un período floreciente para el descubrimiento de partículas. En la década de 1930, con el desarrollo de neutrones y muones.(Leptones de segunda generación)y con el descubrimiento de la primera partícula de antimateria, el positrón, la lista de partículas subatómicas se ha ampliado mucho más allá de los electrones y los protones. En aquel momento la Universidad de Bristol contaba con el equipo de física de rayos cósmicos más importante del mundo, bajo el liderazgo de Cecil Powell.(Cecil Powell, 1903-1969)Bajo la dirección del profesor, el laboratorio perfeccionó la tecnología de utilizar películas fotosensibles para estudiar los rayos cósmicos. Antes de esto, debido a la baja sensibilidad del látex, solo podía registrar las huellas de algunas partículas con menor energía y mayor ionización. Era fácil pasar por alto partículas con mayor energía y menor ionización, lo que reducía las posibilidades de descubrir nuevas partículas. Powell y sus colaboradores mejoraron la sensibilidad del látex y aumentaron su espesor, lo que provocó que las partículas cargadas se ionicen al pasar a través del látex. Después del desarrollo, aparecen como granos negros y dejan huellas. El grupo experimental de Powell está trabajando arduamente para encontrar nuevas partículas elementales a partir de los rayos cósmicos.

En 1947, Cecil Powell confirmóπLa existencia de mesones, las partículas más ligeras de la familia de los mesones. Ya en 1934, el físico japonés Hideki Yukawa(Hideki Yukawa, 1907-1981)fue predichoπmesón. Yukawa planteó la hipótesis de que los protones y los neutrones se atraen entre sí a través de un campo determinado.πMesones, que sirven como portadores de la fuerza nuclear fuerte (la interacción residual de la interacción fuerte).(Los mesones están compuestos por un par de quarks positivos y negativos, y la fuerte interacción entre los quarks se transmite a través de los gluones).

En diciembre de 1947, George Rochester de la Universidad de Manchester, Inglaterra(George Rochester, 1908-2001)y clifford mayordomo(Clifford Butler, 1922-1999)Llevando la investigación de los mesones a una nueva etapa. Analizaron cuidadosamente 5.000 fotografías de cámaras de niebla y descubrieron lo que se conoce comoθde partículas extrañas: un mesón eléctricamente neutro que se desintegra en dosπmesón. Unos meses más tarde, Rosemary descubrió partículas muy similares a las partículas theta.

En 1948, Rosemary, de 22 años, era estudiante de doctorado en el grupo de Cecil Powell. Su trabajo de investigación consiste en observar las fotografías de látex ligero expuestas a los rayos cósmicos en el laboratorio de gran altitud de Jungfraujoch en Suiza, y estudiar el proceso de reacción de partículas de alta energía analizando las huellas de partículas en las fotografías de látex. Descubrió algo inusual: uno se descompuso en tres.πLa partícula exótica del mesón. Más tarde recordó: "Supe de inmediato que se trataba de un descubrimiento nuevo y que era significativo. Estábamos viendo resultados que nunca antes habíamos visto". La pista que observó fue posteriormente etiquetada como "pista k" y era desconocida. para partículas, entonces conocido comoτmesón.

Curiosamente, el mesón tau debería ser el que el equipo de Manchester había visto antes.θUna imagen especular de una partícula que parece idéntica en todos los sentidos: misma masa, mismo giro, etc. Pero se descomponen de formas completamente diferentes:τEl mesón se desintegra en tres.πmesón, yθdecaer en dosπmesón. El descubrimiento de Rosemary parece romper la "simetría de espejo" o "simetría de paridad", donde los dos procesos tienen paridades opuestas.

La trayectoria de rayos cósmicos "tau" descubierta por Rosemary Fowler. El "mesón τ" decae en el punto A paraπ++π++π-，π-Luego se rompe en el punto B.丨Fuente de la imagen: Nature, 163, 82(1949).

En los primeros días del desarrollo de los aceleradores de partículas, este método de tomar fotografías de rayos cósmicos en látex era el principal método experimental para estudiar la física de partículas de alta energía. Rosemary estaba convencida de su descubrimiento y el equipo de investigación llevó a cabo un intenso período de análisis. "Se tuvieron que hacer muchas mediciones y cálculos antes de que se pudiera publicar este descubrimiento. Sabíamos que se trataba de un descubrimiento importante, por lo que trabajamos muy duro para hacer todo lo más rápido posible", dijo Rosemary.

Rosemary y otros escribieron tres artículos en un corto período de tiempo, dos de los cuales se publicaron en la revista "Nature" en enero de 1949. Rosemary fue la primera autora y utilizó su apellido Brown.(R. Brown). Esto se ajusta a la convención de orden alfabético de los artículos sobre física de partículas e ilustra su principal contribución a este trabajo. ¿Y lo que realmente explica este fastidio?θ-τ" Paradoja, los físicos de partículas pasaron casi una década.

Ruptura de la simetría del espejo

Antes de esto, se creía generalmente que las leyes de la física eran simétricas, lo que significaba que la imagen especular de cualquier proceso físico era también un proceso físico posible. El descubrimiento de Rosemary despertó el interés de los científicos, quienes comenzaron a estudiar más profundamente la "paridad", una simetría que anteriormente se consideraba una propiedad fundamental de la naturaleza.

En física de partículas, la paridad se expresa como un número cuántico que describe el comportamiento de una partícula o campo cuando se invierte el eje de coordenadas del espacio. La paridad total se calcula multiplicando los números de paridad de todas las partículas involucradas en las diferentes etapas del proceso. Si se conserva la paridad, entonces la paridad total no puede cambiar.

πLa paridad del mesón es -1, descubierta por RosemaryτEl mesón decae al estado final de tres mesones y su paridad también debería ser -1. peroθLa paridad del estado final de un mesón doble en descomposición es +1. Si se conserva la paridad, entonces las partículas iniciales en los dos procesos también deben tener paridades diferentes y, por lo tanto, ser tipos diferentes de partículas. Pero ninguna teoría puede explicar por qué dos tipos diferentes de partículas tienen exactamente la misma masa. esto es famosoθ-τmisterio.

En ese momento, muchos grupos colaborativos siguieron sus pasos, estudiaron cuidadosamente las fotografías de la cámara de niebla y usaron globos meteorológicos para enviar una gran cantidad de negativos de látex fotosensibles a la atmósfera para encontrarτSignos de descomposición del mesón. En 1953, los físicos habían observado un total de 11 casos. Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley(Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley)El gran acelerador de partículas Bevatron comenzó a funcionar en 1954 y en 1955 produjo 35 ejemplares. Los grandes aceleradores de partículas constituyen otro método de investigación importante, además de los rayos cósmicos, para la investigación de la física de partículas. En el proceso, los científicos introdujeron una nueva convención de nomenclatura: las partículas exóticas descubiertas inicialmente se denominaron mesones K, mientras queθyτluego refiérase a la decadencia a dos y tres respectivamenteπEl patrón de mesones.

Mediante mediciones más precisas, se confirmó que las masas de los dos tipos de mesones K son efectivamente las mismas, lo que hace queθ-τEl misterio se vuelve aún más confuso. En abril de 1956, físicos de partículas celebraron una reunión en Rochester, Nueva York, para discutir el mesón K y varias otras partículas exóticas y desconcertantes que se habían descubierto durante ese período. Aunque Rosemary y Powell no estuvieron presentes en la reunión, Gell-Mann(Murray Gell-Mann, 1929-2019)feynman(Richard Feynman, 1918-1988)A la reunión asistieron varios científicos destacados. En la memoria de Gell-Mann, Feynman y el experimentalista Martin Block(Martin Block, 1925-2016)Mientras vivía en una habitación, Block le preguntó: “¿Qué pasa si no se conserva la paridad? θyτ¿No puede ser la misma partícula? "Feynman también planteó esta cuestión en la reunión.

Una fotografía tomada desde la Facultad de Física de la Universidad de Bristol. En la foto, en el lado izquierdo de la última fila, apoyada contra un pilar, está Rosemary.丨Fuente: Universidad de Bristol

Resulta que nadie puede probar realmente la conservación de la paridad, especialmente en interacciones débiles como la desintegración. Li Zhengdao y Yang Zhenning también participaron en esa reunión. Después de una cuidadosa investigación, descubrieron que, de hecho, no se había probado si la paridad se conserva en las interacciones débiles. En octubre del mismo año, publicaron un artículo y propusieron varios experimentos específicos. para comprobar si se conserva la paridad. Al principio, su artículo fue cuestionado porque la conservación de la paridad ha sido la visión predeterminada desde hace mucho tiempo de la mayoría de los físicos; Feynman incluso apostó con probabilidades de 50 veces contra la no conservación de la paridad. En 1956, Li Zhengdao discutió temas relacionados con Wu Jianxiong, uno de los expertos más autorizados en el campo de la descomposición en el mundo en ese momento, y Wu Jianxiong decidió llevar a cabo experimentos. Debido a la importancia del experimento, Wu Jianxiong abandonó su viaje planeado de regreso a China para visitar a familiares y organizó un equipo experimental para comenzar un trabajo experimental detallado. Al observar la desintegración beta del cobalto-60, descubrieron que la mayoría de los electrones finales se emitían en la dirección opuesta a la polarización del cobalto-60. En el experimento de Wu, el fuerte campo magnético polarizó la dirección del momento angular, es decir, la dirección del espín, y en principio no restringió la dirección del movimiento del electrón final. Por lo tanto, si se conserva la paridad, entonces el electrón en estado final, es decir, el electrón emitidoβEs igualmente probable que las direcciones de los rayos sean positivas y negativas de la dirección de polarización nuclear. El experimento solo detectó rayos en la dirección opuesta a la polarización nuclear, por lo que pudieron concluir que la conservación de la paridad no se cumple en interacciones débiles.(Nota del editor: consulte "La no conservación de la paridad y el experimento de Wu que los estudiantes de secundaria pueden entender")Desde entonces, siguieron más resultados experimentales, hasta que fue innegable la no conservación de la paridad bajo interacciones débiles.

La respuesta a este enigma es que los dos mesones K son la misma partícula y la paridad no es una simetría fundamental de las interacciones débiles en la naturaleza.

El experimento de Wu Jianxiong fue muy inteligente. También logró demostrar que la naturaleza rompe otra simetría: C.(conjugación de carga)Simetría, lo que significa que si todas las partículas en la interacción fueran reemplazadas por sus antipartículas, el proceso debería ocurrir de la misma manera. Este descubrimiento hizo que los físicos se dieran cuenta de que no sólo es necesario probar con precisión la conservación de la paridad, sino también otras simetrías hipotéticas en la naturaleza. "CP", la combinación de conservación de carga y conservación de paridad, se consideró establecida en ese momento, pero luego se demostró que estaba destruida en el experimento de desintegración del mesón K de 1964. La violación de CP tiene un significado más profundo que la violación de la paridad y puede estar relacionada con el hecho de que hay más materia que antimateria en el universo.

El abandono de la conservación de la paridad ha tenido un profundo impacto en los físicos. El descubrimiento de Rosemary ha reescrito el camino de desarrollo de la física de partículas. La comprensión de las personas sobre las partículas elementales y sus interacciones, especialmente el concepto básico de simetría, ha experimentado cambios trascendentales. Hoy en día, los físicos todavía utilizan varios experimentos para estudiar la ruptura de la simetría en la desintegración de partículas, buscando nueva física más allá del modelo estándar de física de partículas.

El efecto "Matilda"

La historia de Rosemary plantea la pregunta: ¿Por qué tan poca gente ha oído hablar de ella? Una razón puede ser que la igualdad de género era difícil de lograr en la mayoría de los departamentos de física e incluso en la comunidad científica de su época. El laboratorio de Powell es una excepción. Durante la guerra, cuando los hombres debían servir en el ejército, en el laboratorio de Powell se estaban desarrollando nuevos métodos científicos: imágenes de rayos cósmicos utilizando tecnología de fotosensibilidad de látex, una tarea que requería mucha mano de obra. El laboratorio de Powell recopiló una gran cantidad de fotografías de rayos cósmicos y contrató muchos escáneres.(la mayoría son mujeres)Buscando minuciosamente entre las fotografías, aportando cualquier cosa inusual o interesante a un físico para su posterior análisis.

Rosemary Fowler no es una escáner. Fue una de las pocas mujeres invitadas a estudiar un doctorado en física y obtuvo una licenciatura de primer nivel, un logro inusual para cualquiera, especialmente en aquellos días. Rosemary mostró un talento excepcional en las ciencias después de ir a la escuela. Era buena en matemáticas pero no estaba muy interesada en escribir. Esto puede estar relacionado con que su padre era un ingeniero de la Marina Real Británica. Se convirtió en la única niña de su grado que ingresó a la universidad y, finalmente, se convirtió en la estudiante de posgrado de Powell con un hermoso expediente académico.

Inteligente y decidida, sólo se tomó dos días libres tras incorporarse al equipo y empezó a trabajar en junio de 1947. Cuando descubrió la desintegración del mesón "tau", la primera persona a la que se lo contó fue su compañero de doctorado Peter Fowler.(Peter H. Fowler). "Pasamos algún tiempo observando y pensando, disfrutando el momento del descubrimiento. Luego se lo conté a otros", dijo. El pionero de la física nuclear Ernest Rutherford(Ernest Rutherford, 1871-1937)nieto, pionero de la física cuántica Ralph Fowler(Ralph H. Fowler, 1889-1944; mentor de Dirac)El hijo de Peter Fowler era un joven físico brillante y reconocido. Era tres años mayor que Rosemary, pero ingresó a la escuela un año después que ella y sus estudios se vieron interrumpidos por el servicio militar. Los dos se casaron en 1949, momento en el que Rosemary decidió dejar la academia. Con el firme apoyo de Rosemary, su marido, Peter Fowler, siguió una carrera muy distinguida y logró importantes resultados en la detección experimental de rayos cósmicos.

Cuando se le preguntó por qué abandonó su carrera académica sin completar su doctorado después, la respuesta de Rosemary fue pragmática. Al vivir en una era difícil de escasez de alimentos y vivienda, sus tres hijas necesitaban atención y apoyo, por lo que decidió dejar que Peter Fowler continuara trabajando en física. Pensó que este era el mejor arreglo. La hija de Rosemary, Mary Fowler.(María Fowler)Recuerda: “Cuando era niña quería ser física, ambos padres eran físicos y la física y la investigación eran la comidilla de la mesa de la cocina. Rosemary nos influyó a todos: ¡a todos nos apasionaban las ciencias y las matemáticas! haz eso." Actualmente es una distinguida geofísica y ex presidenta del Darwin College de Cambridge. Debido a que Rosemary Fowler tenía movilidad limitada, la ceremonia de entrega del título se llevó a cabo en el Darwin College de Cambridge.

Con el tiempo, en diversas publicaciones, las contribuciones de Rosemary a menudo se atribuían a su marido o a Powell. Pero Powell reconoció explícitamente la importante contribución de Rosemary al descubrimiento. Pero sí parece ser un ejemplo del efecto "Matilda", donde las contribuciones de las científicas a menudo se pasan por alto o se atribuyen a sus homólogos masculinos.[El efecto Matilda lleva el nombre de la escritora y activista estadounidense Matilda Joslyn Gage. En 1870, escribió un libro titulado "La mujer como inventora" (La mujer como inventora) folleto, condenando la opinión ampliamente difundida en ese momento de que las mujeres carecían de creatividad y talento científico. ]

Rosemary no es la única científica cuyas contribuciones han sido infravaloradas. Powell ganó el Premio Nobel de Física en 1950 por descubrir piones utilizando tecnología de látex fotosensible, pero la inventora de la tecnología, la física austriaca Marietta Blau,(Marietta Blau, 1894-1970)Su contribución fue ignorada, a pesar de que más tarde Schrödinger la nominó muchas veces como candidata al Premio Nobel;(Bibha Choudhuri, 1913-1991)También aparecieron pruebas de la existencia de piones en artículos publicados en Nature durante la Segunda Guerra Mundial, y su trabajo es incluso menos conocido que el de Blau...

Ahora, 75 años después del descubrimiento de Rosemary, se le ha concedido un doctorado honoris causa, lo que demuestra que la gente siempre recordará su importante contribución.

Referencias

[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