98歳の主婦、物理学者に対称性の再考を促した発見により名誉博士号を授与される

最近、英国のブリストル大学は98歳のローズマリー・ファウラーさんに名誉博士号を授与した。彼女は博士課程の研究中に、当時は奇妙だと考えられていた粒子の崩壊過程を発見した。この発見は「物理法則を書き換えた出来事」とみなされた。これは、Tsung-Dao Lee と Chen-Ning Yang がパリティが保存されるかどうかについて考えた理由でもありました。しかし、ローズマリー・ファウラーは家庭の事情で学界を去り、それ以来彼女の優れた業績はほとんど語られなくなった。現在、彼女の母校は世界を代表して彼女の貢献を称えています。

劉航編纂

75年前、素粒子物理学における一見あまり知られていない発見が、物理学者たちに自然界の最も基本的な対称性の1つを再考させるきっかけを与えました。その発見者であるローズマリー・ファウラー女史（1926年生まれ、現在98歳）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。彼女は家族のせいで博士号取得を断念した。ブリストル大学の学長でありノーベル賞受賞者でもあるポール・ナース氏が、彼女のために自ら学位授与式を執り行った。ブリストルにおいて、彼女は K 中間子が 3 つのパイ中間子に崩壊することを発見し、それが最終的に素粒子物理学の理論に革命をもたらしました。ネイチャー誌は彼女の発見を「物理法則を書き換えた出来事」と評した。

ローズマリー・ファウラーに名誉博士号授与

宇宙線の発見

第二次世界大戦前後の数十年間は、素粒子の発見が盛んだった時代でした。 1930 年代には、中性子、ミューオン (第 2 世代のレプトン)、および最初の反物質粒子である陽電子が発見され、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世界をリードする宇宙線物理学チームがありました。セシル・パウエル教授 (1903-1969) のリーダーシップの下、研究所は写真フィルムを使用して宇宙線を研究する技術を完成させました。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度が高い粒子の軌跡しか記録できず、エネルギーが高くイオン化度が低い粒子を見逃しやすく、新しい粒子を発見できる可能性が低くなっていました。パウエルと彼の協力者はラテックスの感度を改善し、ラテックスの厚みを増したため、荷電粒子はラテックスを通過する際にイオン化され、現像後に黒い粒子として現れ、跡を残すようになりました。パウエルの実験グループは宇宙線から新しい素粒子を探す研究に取り組んでいる。

1947 年、セシル・パウエルは中間子族の中で最も軽い粒子であるパイ中間子の存在を確認しました。日本の物理学者湯川秀樹（1907-1981）は、1934年に早くもパイ中間子の存在を予測した。湯川は、陽子と中性子が特定の場、すなわちパイオンを介して互いに引き合い、それが強い核力、つまり強い相互作用の残留相互作用の媒介として働くという仮説を立てました。 （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（1908-2001）とクリフォード・バトラー（1922-1999）は中間子研究を新たな段階に進めました。彼らは霧箱の写真5,000枚を注意深く分析し、電気的に中性なミューオンで2つのパイ中間子に崩壊する「シータ」と呼ばれる珍しい粒子を発見した。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。彼女の研究はスイスのユングフラウヨッホにある高地の研究所で行われ、そこで彼女は宇宙線にさらされた写真乳剤写真を観察し、乳剤写真の粒子の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しています。彼女は何か珍しいもの、つまり3つのパイ中間子に崩壊する珍しい粒子を発見した。 「これは何か新しくて大きなことだとすぐに分かりました」と彼女は後に回想している。 「私たちはこれまで見たことのない結果を目にしていました。」彼女が観測した軌跡は後に「k トラック」と名付けられ、当時タウ中間子と呼ばれていた未知の粒子の証拠となった。

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シータ粒子の鏡像であるはずで、質量、スピンなどあらゆる点で同一に見える。しかし、それらは非常に異なる方法で崩壊します。タウ中間子は 3 つのパイ中間子に崩壊しますが、シータ中間子は 2 つのパイ中間子に崩壊します。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」を破ったように思われた。

ローズマリー・ファウラーが発見した「タウ」中間子の宇宙線の軌跡。 「タウ中間子」は A 点で π++π++π- に崩壊し、その後 B 点で π- が分解します。

粒子加速器開発の初期には、宇宙線の乳剤写真を撮るこの方法が、高エネルギー粒子物理学を研究するための主な実験方法でした。ローズマリーは自分の発見を確信し、研究チームは徹底的な分析を行った。 「この発見を発表するまでに、膨大な数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だと分かっていたので、すべてをできるだけ早く終わらせるために一生懸命働きました」とローズマリーは語った。

ローズマリーと他の研究者たちは短期間に 3 本の論文を書き、そのうち 2 本は 1949 年 1 月にネイチャー誌に掲載されました。ローズマリーは最初の著者であり、本名のブラウン (R. ブラウン) を使用しました。これは素粒子物理学論文のアルファベット順の慣例に準拠しており、また彼女の研究への主要な貢献を示しています。素粒子物理学者がこの厄介な「θ-τ」パラドックスを真に説明するのにほぼ 10 年かかりました。

鏡面対称性の破れ

これまで、物理法則は左右対称である、つまりあらゆる物理プロセスの鏡像もまた物理プロセスとなり得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たちの興味を掻き立て、科学者たちは、それまで自然界の基本的な性質であると考えられていた対称性である「パリティ」をより深く研究し始めました。

粒子物理学では、パリティは、空間の軸が反転したときに粒子またはフィールドがどのように動作するかを記述する量子数を使用して表現されます。総パリティは、プロセスのさまざまな段階で関与するすべての粒子のパリティを乗算することによって計算されます。パリティが保存される場合、合計パリティは変化しません。

パイオンのパリティは -1 です。ローズマリーが発見したタウ中間子は 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、シータ崩壊の二中間子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 つのプロセスの初期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である必要があります。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ことができる理由を説明できる理論はありませんでした。これは有名なθ-τパズルです。

多くの共同研究が彼女の先導に従い、霧箱の写真を詳しく調べたり、気象観測気球で大量の写真乳剤ネガを大気圏に送り込み、タウ崩壊の兆候を探したりした。 1953年までに物理学者は11件の現象を観測した。ローレンス・バークレー国立研究所の大型粒子加速器であるベバトロンは 1954 年に稼働を開始し、1955 年までに 35 件のイベントを発生させました。大型粒子加速器は、宇宙線に加えて、素粒子物理学にとってもう 1 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た。最初に発見された異質粒子はカオンと呼ばれ、シータとタウはそれぞれ2つと3つのパイオンに崩壊するモードを指すものだった。

より正確な測定により、2 種類の K 中間子の質量は確かに同じであることが確認され、θ-τ の謎はさらに不可解なものとなりました。 1956 年 4 月、ニューヨーク州ロチェスターに素粒子物理学者たちが集まり、それまでの間に発見された K 中間子やその他の不可解な珍しい粒子について議論しました。ローズマリーとパウエルは会議に出席しなかったが、マレー・ゲルマン（1929-2019）やリチャード・ファインマン（1918-1988）など数人の著名な科学者が出席した。ゲルマン氏の回想によれば、ファインマン氏と実験家マーティン・ブロック氏（1925-2016）は同じ部屋に住んでいて、ブロック氏は彼にこう尋ねた。「パリティが保存されなかったらどうなるだろうか？ θとτは同じ粒子ではないだろうか？」ファインマン氏も会議でこの質問をしました。

ブリストル大学物理学部で撮影された写真。後列左側の柱に寄りかかっているのはローズマリーです。

結局のところ、特に崩壊のような弱い相互作用においては、パリティ保存を実際に証明できた人は誰もいないのです。李宗道氏と楊振寧氏もその会議に出席した。慎重な研究の結果、弱い相互作用において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判明しました。同年10月、彼らはパリティが保存されるかどうかをテストするためのいくつかの具体的な実験を提案する論文を発表しました。当初、彼らの論文は懐疑的な見方を受けた。なぜなら、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だったからだ。ファインマンはパリティ保存則の違反に50対50で賭けさえした。 1956年、李宗道は、当時世界で最も権威のある崩壊分野の専門家の一人であった呉健雄と関連する問題について話し合い、呉は実験を行うことを決意しました。実験の重要性から、呉建雄氏は長年計画していた親戚を訪ねる中国への帰国を断念し、国立標準技術研究所（NIST）の専門家らと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で、最終的な電子のほとんどがコバルト60の分極方向とは反対の方向に放出されることを発見した。ウー氏の実験では、強い磁場が角運動量の方向、つまりスピンの方向を偏極させ、原理的には最終状態の電子の移動方向を制限しませんでした。したがって、パリティが保存される場合、最終状態の電子、つまり放出されるベータ線の方向は、核分極方向の正方向と負方向に等しい確率で存在するはずです。この実験では、核分極の反対方向の光線のみを観測したため、弱い相互作用ではパリティ保存則は成立しないと結論付けることができた。 （編集者注：「中学生でもわかるパリティ破れとウーの実験」を参照）その後、弱い相互作用下でのパリティ保存の破れが否定できないまで、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 中間子が同じ粒子であり、パリティは自然界における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。

ウーの実験は非常に独創的で、彼女は自然がもうひとつの対称性、つまり C (電荷共役) 対称性を破ることも証明しました。これは、相互作用する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あることを意味します。この発見により、物理学者たちはパリティ保存だけでなく、自然界における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付きました。 「CP」は電荷保存とパリティ保存の組み合わせで、成立すると考えられていましたが、その後、1964 年に K 中間子崩壊に関する実験で破れていることが示されました。CP の破れはパリティの破れ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と関係がある可能性があります。

パリティ保存則を放棄したことは物理学者に大きな影響を与えました。ローズマリーの発見は素粒子物理学の発展の道筋を変え、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、世界を揺るがすような変化を遂げました。今日でも物理学者たちは、さまざまな実験を用いて粒子の崩壊における対称性の破れを研究し、粒子物理学の標準モデルを超える新しい物理学を探求しています。

マチルダ効果

ローズマリーの物語は必然的に次のような疑問を生じさせます。なぜ彼女のことを知る人がこれほど少ないのでしょうか?理由の一つは、彼女の時代ではほとんどの物理学科や科学全般において男女平等を達成することが困難だったからかもしれない。パウエルの研究室は例外です。戦争中、男性は兵役に就くことが義務付けられており、パウエルの研究室では、エマルジョン技術を使用して宇宙線を画像化するという新しい科学的手法が開発されていましたが、これは労働集約的な作業でした。パウエルの研究室は大量の宇宙線写真を収集し、彼は多くのスキャナーを雇った。スキャナーのほとんどは女性で、写真を丹念に調べ、異常なものや興味深いものがあれば物理学者に渡してさらに分析させた。

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かれた数少ない女性の一人であり、特に当時としては異例の成績で一級の学士号を取得しました。ローズマリーは学校に通い始めてから科学の分野で優れた才能を発揮しました。彼女は数学は得意でしたが、書くことにはあまり興味がありませんでした。これは彼女の父親が英国海軍の技術者であったという事実と関係があるかもしれない。彼女は学年で唯一大学に入学した女子となり、最終的には優秀な成績でパウエルの大学院生となった。

聡明で決断力のある彼女は、チームに参加した後、たった 2 日間の休暇を取っただけで、1947 年 6 月に仕事に取り掛かりました。タウ中間子の崩壊を発見したとき、彼女が最初にそれを伝えたのは、博士課程の同級生であるピーター H. ファウラーでした。 「私たちはしばらく観察したり考えたりしながら、発見の瞬間を楽しみました。そして、他の人たちにも伝えました」と彼女は語った。原子物理学の先駆者アーネスト・ラザフォード (1871-1937) の孫であり、量子物理学の先駆者ラルフ・H・ファウラー (1889-1944、ディラックの指導者) の息子であるピーター・ファウラーは、才能ある若手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歳年上だったが、兵役により学業が中断されたため、彼女より1年遅く学校に通い始めた。二人は1949年に結婚し、その時に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サポートにより、夫のピーター・ファウラーは非常に輝かしい経歴を持ち、宇宙線の実験的検出において重要な業績を残しました。

その後、博士号を取得せずに学界を去った理由を尋ねられたローズマリーの答えは現実的なものでした。食糧や住宅が不足し、介護と支援を必要とする3人の娘がいる困難な時代に、彼女はピーター・ファウラーが物理学の研究を続けることが最善の策であると判断しました。ローズマリーの娘メアリー・ファウラーは次のように回想しています。「子どもの頃、私は物理学者になりたかったんです。両親は二人とも物理学者で、物理学と研究は家庭の食卓で話題になっていました。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注いでいました。女の子にはできないと考える人は誰もいませんでした。」彼女は現在、優れた地球物理学者であり、ケンブリッジ大学ダーウィン・カレッジの元学長です。ローズマリー・ファウラーは移動が制限されていたため、学位授与式はケンブリッジのダーウィン・カレッジで行われました。

時が経つにつれ、さまざまな出版物において、ローズマリーの貢献は彼女の夫かパウエルのどちらかによるものとされることが多くなった。しかしパウエル氏は、この発見におけるローズマリー氏の大きな貢献を明確に認めた。しかし、これは「マチルダ」効果の一例であるように思われる。つまり、女性科学者の貢献はしばしば見過ごされたり、男性科学者の貢献とみなされたりするのである。 [マチルダ効果は、アメリカの作家であり活動家であったマチルダ・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」と題するパンフレットを執筆し、女性には創造力と科学的才能が欠けているという当時の一般的な見解を非難した。 ]

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。パウエルは写真乳剤技術を用いてパイ中間子を発見したことで1950年のノーベル物理学賞を受賞したが、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（1894-1970）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、見過ごされてしまった。インドの物理学者ビバ・チョウドリ（1913-1991）も、第二次世界大戦中にネイチャー誌に発表した論文でパイオンの証拠を発見したが、彼女の研究はブラウの研究ほど有名ではなかった...

発見から75年経った今、ローズマリーには名誉博士号が授与され、彼女の重要な貢献が永遠に記憶されることを証明しました。

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