98-jährige Hausfrau erhält Ehrendoktorwürde für Entdeckung, die Physiker zum Umdenken in Sachen Symmetrie veranlasst

Kürzlich verlieh die britische Universität Bristol der 98-jährigen Rosemary Fowler eine Ehrendoktorwürde. Während ihrer Doktorarbeit entdeckte sie einen damals als merkwürdig geltenden Teilchenzerfallsprozess. Diese Entdeckung wurde als „ein Ereignis angesehen, das die Gesetze der Physik neu schrieb“; Dies war auch der Grund, warum Tsung-Dao Lee und Chen-Ning Yang darüber nachdachten, ob die Parität erhalten bleibt. Doch Rosemary Fowler verließ die akademische Welt aus familiären Gründen und ihre herausragende Arbeit wurde seitdem kaum noch erwähnt. Jetzt würdigt ihre Alma Mater ihre Beiträge im Namen der Welt.

Zusammengestellt von Liu Hang

Vor 75 Jahren veranlasste eine scheinbar obskure Entdeckung in der Teilchenphysik die Physiker dazu, eine der grundlegendsten Symmetrien der Natur zu überdenken. Ihrer Entdeckerin, der heute 98-jährigen Rosemary Fowler (1926-), wurde kürzlich von ihrer Alma Mater, der Universität Bristol, die Ehrendoktorwürde der Naturwissenschaften verliehen. Aus familiären Gründen hatte sie ihr Doktoratsstudium aufgegeben. Paul Nurse, Präsident der Universität Bristol und Nobelpreisträger, hielt persönlich eine Abschlusszeremonie für sie ab. In Bristol führte ihre Entdeckung des Zerfalls des Kaons in drei Pionen letztendlich zu einer Revolution in der Theorie der Teilchenphysik. Das Magazin Nature beschrieb ihre Entdeckung als „ein Ereignis, das die Gesetze der Physik neu schrieb“.

Rosemary Fowler erhält Ehrendoktorwürde

Entdeckung in der kosmischen Strahlung

Die Jahrzehnte vor und nach dem Zweiten Weltkrieg waren eine Blütezeit der Teilchenforschung. In den 1930er Jahren wurde die Liste der subatomaren Teilchen mit der Entdeckung des Neutrons, des Myons (eines Leptons der zweiten Generation) und des ersten Antimaterieteilchens, des Positrons, weit über Elektronen und Protonen hinaus erweitert. Zu dieser Zeit verfügte die Universität Bristol über ein weltweit führendes Team für kosmische Strahlungsphysik. Unter der Leitung von Professor Cecil Powell (1903–1969) perfektionierte das Labor die Technologie zur Verwendung von fotografischen Filmen zur Untersuchung kosmischer Strahlung. Da Latex zuvor eine geringe Empfindlichkeit aufwies, konnten damit nur die Spuren von Teilchen mit niedrigerer Energie und höherer Ionisierung aufgezeichnet werden. Teilchen mit höherer Energie und niedrigerer Ionisierung wurden leicht übersehen, was die Chance verringerte, neue Teilchen zu entdecken. Powell und seine Mitarbeiter verbesserten die Empfindlichkeit des Latex und erhöhten seine Dicke, sodass geladene Teilchen beim Durchgang durch den Latex ionisiert wurden und nach der Entwicklung als schwarze Körner erschienen und Spuren hinterließen. Powells Experimentalgruppe arbeitet an der Suche nach neuen Elementarteilchen aus kosmischer Strahlung.

Im Jahr 1947 bestätigte Cecil Powell die Existenz des Pions, des leichtesten Teilchens der Mesonenfamilie. Bereits 1934 sagte der japanische Physiker Hideki Yukawa (1907–1981) das Pion voraus. Yukawa stellte die Hypothese auf, dass Protonen und Neutronen sich durch ein bestimmtes Feld anziehen, nämlich das Pion, das als Träger der starken Kernkraft fungiert – der Restwechselwirkung der starken Wechselwirkung. (Ein Meson besteht aus einem Paar positiver und negativer Quarks, und die starke Wechselwirkung zwischen Quarks wird durch Gluonen übertragen.)

Im Dezember 1947 brachten George Rochester (1908–2001) und Clifford Butler (1922–1999) von der Universität Manchester in Großbritannien die Mesonenforschung auf eine neue Stufe. Sie analysierten sorgfältig 5.000 Nebelkammerfotos und entdeckten ein exotisches Teilchen namens Theta – ein elektrisch neutrales Myon, das in zwei Pionen zerfallen kann. Einige Monate später entdeckte Rosemary ein Teilchen, das dem Theta-Teilchen sehr ähnlich war.

1948 war die 22-jährige Rosemary Doktorandin in der Gruppe von Cecil Powell. Ihre Forschungsarbeit führt sie in einem Höhenlabor auf dem Jungfraujoch in der Schweiz durch, wo sie der kosmischen Strahlung ausgesetzte Fotoemulsionsfotografien beobachtet und hochenergetische Teilchenreaktionsprozesse untersucht, indem sie die Teilchenspuren in den Emulsionsfotografien analysiert. Sie fand etwas Ungewöhnliches – ein exotisches Teilchen, das in drei Pionen zerfiel. „Mir war sofort klar, dass das etwas Neues und Großes war“, erinnerte sie sich später. „Wir haben Ergebnisse gesehen, die wir noch nie zuvor gesehen hatten.“ Die von ihr beobachteten Spuren wurden später als „K-Spuren“ bezeichnet und waren ein Beweis für ein unbekanntes Teilchen, das damals Tau-Meson genannt wurde.

Rätselhafterweise sollte das Tau-Meson das Spiegelbild des Theta-Teilchens sein, das das Team aus Manchester zuvor gesehen hatte, und in jeder Hinsicht identisch erscheinen: gleiche Masse, gleicher Spin und so weiter. Sie zerfallen jedoch auf sehr unterschiedliche Weise: Das Tau-Meson zerfällt in drei Pionen, während das Theta-Meson in zwei Pionen zerfällt. Rosemarys Entdeckung schien die „Spiegelsymmetrie“ oder „Paritätensymmetrie“ zu brechen, bei der die beiden Prozesse entgegengesetzte Paritäten aufweisen.

Die kosmische Strahlungsspur des von Rosemary Fowler entdeckten „Tau“-Mesons. Das „Tau-Meson“ zerfällt am Punkt A zu π++π++π- und π- und zerfällt dann am Punkt B.

In den Anfängen der Teilchenbeschleunigerentwicklung war diese Methode zur Aufnahme von Emulsionsfotos kosmischer Strahlung die wichtigste experimentelle Methode zur Untersuchung der Teilchenphysik im Hochenergiebereich. Rosemary war von ihrer Entdeckung überzeugt und das Forschungsteam führte eine intensive Analyse durch. „Bevor diese Entdeckung veröffentlicht werden konnte, mussten zahlreiche Messungen und Berechnungen durchgeführt werden. Wir wussten, dass es eine wichtige Entdeckung war, und haben deshalb sehr hart daran gearbeitet, alles so schnell wie möglich fertigzustellen“, sagte Rosemary.

Rosemary und andere verfassten innerhalb kurzer Zeit drei Artikel, von denen zwei im Januar 1949 in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurden. Rosemary war die Erstautorin und verwendete ihren ursprünglichen Namen Brown (R. Brown). Dies entspricht der alphabetischen Reihenfolge von Artikeln zur Teilchenphysik und verdeutlicht auch ihren großen Beitrag zu dieser Arbeit. Teilchenphysiker brauchten fast ein Jahrzehnt, um dieses lästige „θ-τ“-Paradoxon wirklich zu erklären.

Verletzung der Spiegelsymmetrie

Zuvor glaubte man im Allgemeinen, dass die Gesetze der Physik links-rechts-symmetrisch seien, das heißt, dass das Spiegelbild jedes physikalischen Prozesses auch ein möglicher physikalischer Prozess sei. Rosemarys Entdeckung weckte das Interesse der Wissenschaftler, die begannen, die „Parität“ – eine Symmetrie, die zuvor als grundlegende Eigenschaft der Natur galt – eingehender zu untersuchen.

In der Teilchenphysik wird Parität mithilfe einer Quantenzahl ausgedrückt, die beschreibt, wie sich ein Teilchen oder Feld verhält, wenn die Raumachsen umgekehrt werden. Die Gesamtparität wird berechnet, indem die Paritäten aller in den verschiedenen Phasen des Prozesses beteiligten Partikel multipliziert werden. Wenn die Parität erhalten bleibt, kann sich die Gesamtparität nicht ändern.

Die Parität des Pions beträgt -1. Das von Rosemary entdeckte Tau-Meson zerfällt in einen Drei-Mesonen-Endzustand und seine Parität sollte ebenfalls -1 sein. Aber die Parität des Di-Meson-Endzustands des Theta-Zerfalls beträgt +1. Wenn die Parität erhalten bleibt, müssen die Anfangsteilchen in den beiden Prozessen auch unterschiedliche Paritäten aufweisen und daher unterschiedliche Teilchentypen sein. Aber keine Theorie konnte erklären, warum zwei verschiedene Arten von Teilchen genau die gleiche Masse haben konnten. Dies ist das berühmte θ-τ-Puzzle.

Viele Kooperationspartner folgten ihrem Beispiel. Sie studierten Nebelkammerfotos und schickten große Mengen fotografischer Emulsionsnegative mit Wetterballons in die Atmosphäre, um nach Anzeichen des Tau-Zerfalls zu suchen. Bis 1953 hatten Physiker elf Ereignisse beobachtet. Das Bevatron, ein großer Teilchenbeschleuniger am Lawrence Berkeley National Laboratory, nahm 1954 seinen Betrieb auf und produzierte bis 1955 35 Ereignisse. Große Teilchenbeschleuniger bieten neben der kosmischen Strahlung eine weitere wichtige Forschungsmethode für die Teilchenphysik. Dabei führten die Wissenschaftler eine neue Namenskonvention ein: Das ursprünglich entdeckte exotische Teilchen wurde Kaon genannt, während sich Theta und Tau auf die Zerfallsarten in zwei bzw. drei Pionen bezogen.

Genauere Messungen bestätigten, dass die Massen der beiden Kaonenarten tatsächlich gleich sind, was das θ-τ-Geheimnis noch rätselhafter macht. Im April 1956 trafen sich Teilchenphysiker in Rochester, New York, um über das Kaon und mehrere andere rätselhafte, exotische Teilchen zu diskutieren, die in der Zwischenzeit entdeckt worden waren. Obwohl Rosemary und Powell nicht an der Konferenz teilnahmen, waren mehrere herausragende Wissenschaftler wie Murray Gell-Mann (1929–2019) und Richard Feynman (1918–1988) dort. In Gell-Manns Erinnerung lebten Feynman und der Experimentalphysiker Martin Block (1925–2016) im selben Zimmer, und Block fragte ihn: „Was ist, wenn die Parität nicht erhalten bleibt? Können θ und τ nicht dasselbe Teilchen sein?“ Auch Feynman warf diese Frage bei dem Treffen auf.

Ein Foto, aufgenommen an der School of Physics der University of Bristol. Die Person, die links in der hinteren Reihe an der Säule lehnt, ist Rosemary.

Es stellt sich heraus, dass es niemandem gelungen ist, die Paritätserhaltung wirklich zu beweisen, insbesondere bei schwachen Wechselwirkungen wie dem Zerfall. Tsung-Dao Lee und Chen-Ning Yang nahmen ebenfalls an diesem Treffen teil. Nach sorgfältiger Untersuchung stellten sie fest, dass die Frage, ob die Parität bei schwachen Wechselwirkungen erhalten bleibt, tatsächlich nicht getestet wurde. Im Oktober desselben Jahres veröffentlichten sie ein Papier, in dem sie mehrere spezifische Experimente vorschlugen, um zu testen, ob die Parität erhalten bleibt. Ihre Arbeit stieß zunächst auf Skepsis, da die Paritätserhaltung seit langem die Standardansicht der meisten Physiker war. Feynman wettete sogar 50 zu 50 gegen die Verletzung der Paritätserhaltung. Im Jahr 1956 diskutierte Tsung-Dao Lee entsprechende Fragen mit Chien-Shiung Wu, einem der damals weltweit führenden Experten auf dem Gebiet des Zerfalls, und Wu beschloss, Experimente durchzuführen. Aufgrund der Bedeutung des Experiments verzichtete Wu Jianxiong auf ihre lange geplante Reise zurück nach China, um ihre Verwandten zu besuchen, und organisierte ein Experimentalteam mit Experten des National Institute of Standards and Technology (NIST), um mit der detaillierten experimentellen Arbeit zu beginnen. Durch Beobachtung des Betazerfalls von Kobalt-60 stellten sie fest, dass die meisten der letzten Elektronen in die entgegengesetzte Richtung zur Polarisationsrichtung von Kobalt-60 emittiert wurden. In Wus Experiment polarisierte das starke Magnetfeld die Richtung des Drehimpulses, also die Spinrichtung, und schränkte die Bewegungsrichtung der Elektronen im Endzustand prinzipiell nicht ein. Wenn die Parität erhalten bleibt, sollte daher das Elektron im Endzustand, d. h. die Richtung des emittierten Betastrahls, mit gleicher Wahrscheinlichkeit in die positive und negative Richtung der Kernpolarisationsrichtung weisen. Im Experiment wurden nur Strahlen in der entgegengesetzten Richtung der Kernpolarisation überwacht, sodass man zu dem Schluss kommen konnte, dass die Paritätserhaltung bei schwachen Wechselwirkungen nicht gilt. (Anmerkung des Herausgebers: Siehe „Paritätsverletzung und Wus Experiment, das für Mittelschüler verständlich ist“) Anschließend folgten weitere experimentelle Ergebnisse, bis die Verletzung der Paritätserhaltung bei schwachen Wechselwirkungen nicht mehr zu leugnen war.

Die Antwort auf dieses Rätsel ist, dass die beiden Kaonen dasselbe Teilchen sind und Parität keine grundlegende Symmetrie der schwachen Wechselwirkung in der Natur ist.

Wus Experiment war so genial, dass es ihr auch gelang, nachzuweisen, dass die Natur eine weitere Symmetrie bricht – die C-Symmetrie (Ladungskonjugation). Das bedeutet, dass der Prozess auf die gleiche Weise ablaufen sollte, wenn alle Teilchen in der Wechselwirkung durch ihre Antiteilchen ersetzt werden. Diese Entdeckung machte den Physikern klar, dass nicht nur die Paritätserhaltung, sondern auch einige andere hypothetische Symmetrien in der Natur genau getestet werden müssen. Man ging davon aus, dass "CP" – eine Kombination aus Ladungserhaltung und Paritätserhaltung – gilt, doch wie sich später herausstellte, wurde dieses Prinzip in einem Experiment mit Kaonenzerfall im Jahr 1964 verletzt. Die CP-Verletzung hat eine tiefere Bedeutung als die Paritätsverletzung und könnte mit der Tatsache zusammenhängen, dass es im Universum mehr Materie als Antimaterie gibt.

Die Aufgabe der Paritätserhaltung hatte tiefgreifende Auswirkungen auf die Physiker. Rosemarys Entdeckung veränderte die Entwicklung der Teilchenphysik und das Verständnis der Menschen für Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen, insbesondere das Grundkonzept der Symmetrie, erfuhr weltbewegende Veränderungen. Auch heute noch untersuchen Physiker mit verschiedenen Experimenten die Symmetriebrechung beim Teilchenzerfall und suchen nach neuer Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik.

Der Matilda-Effekt

Rosemarys Geschichte wirft unweigerlich die Frage auf: Warum haben so wenige Menschen von ihr gehört? Ein Grund hierfür könnte darin liegen, dass es zu ihrer Zeit in den meisten Physikfakultäten und in der Wissenschaft allgemein schwierig war, Geschlechtergleichstellung zu erreichen. Powells Labor ist eine Ausnahme. Während des Krieges mussten die Männer Militärdienst leisten und die neuen wissenschaftlichen Methoden, die in Powells Labor eingesetzt wurden – die Abbildung kosmischer Strahlung mithilfe der Emulsionstechnologie – wurden entwickelt, was eine arbeitsintensive Aufgabe war. Powells Labor sammelte eine große Zahl von Fotografien kosmischer Strahlung und beschäftigte zahlreiche Scanner, die meisten davon Frauen, die die Fotografien sorgfältig durchsuchten und alles Ungewöhnliche oder Interessante zur weiteren Analyse an die Physiker weitergaben.

Rosemary Fowler ist kein Scanner. Sie war eine der wenigen Frauen, die zum Doktorat in Physik eingeladen wurden, und schloss ihr Bachelorstudium mit Auszeichnung ab – ein außergewöhnliches Ergebnis, insbesondere in der damaligen Zeit. Rosemary zeigte nach der Schule ein herausragendes Talent in den Naturwissenschaften. Sie war gut in Mathematik, aber nicht sehr am Schreiben interessiert. Dies könnte damit zusammenhängen, dass ihr Vater Ingenieur bei der britischen Royal Navy war. Sie war das einzige Mädchen ihres Jahrgangs, das das College besuchte, und wurde schließlich mit einem hervorragenden Zeugnis Powells Doktorandin.

Sie war klug und entscheidungsfreudig und nahm sich nach ihrem Eintritt in das Team nur zwei Tage Urlaub. Im Juni 1947 begann sie mit ihrer Arbeit. Als sie den Zerfall des Tau-Mesons entdeckte, erzählte sie es als Erstes ihrem Kommilitonen und Doktoranden Peter H. Fowler. „Wir haben eine Weile beobachtet und nachgedacht und den Moment der Entdeckung genossen. Dann habe ich es den anderen erzählt“, sagte sie. Als Enkel des Kernphysik-Pioniers Ernest Rutherford (1871–1937) und Sohn des Quantenphysik-Pioniers Ralph H. Fowler (1889–1944; Diracs Mentor) war Peter Fowler ein anerkannt talentierter junger Physiker. Er war drei Jahre älter als Rosemary, hatte jedoch ein Jahr später mit der Schule begonnen, da sein Militärdienst seine Ausbildung unterbrochen hatte. Die beiden heirateten 1949, woraufhin Rosemary beschloss, die akademische Laufbahn aufzugeben. Mit Rosemarys tatkräftiger Unterstützung machte ihr Ehemann Peter Fowler eine herausragende Karriere und erzielte wichtige Erfolge bei der experimentellen Erkennung kosmischer Strahlung.

Auf die Frage, warum sie danach die akademische Welt verließ, ohne ihre Promotion abzuschließen, antwortete Rosemary pragmatisch. Da sie in schwierigen Zeiten lebte, in denen es an Nahrungsmitteln und Wohnraum mangelte und sie drei Töchter hatte, die Pflege und Unterstützung brauchten, kam sie zu dem Schluss, dass es für Peter Fowler das Beste sei, weiterhin in der Physik zu arbeiten. Rosemarys Tochter Mary Fowler erinnerte sich: „Als Kind wollte ich Physikerin werden. Meine Eltern waren beide Physiker, und Physik und Forschung waren das Hauptthema am Küchentisch! Rosemary beeinflusste uns alle – wir alle waren begeistert von Naturwissenschaften und Mathematik. Niemand dachte, Mädchen könnten das nicht.“ Heute ist sie eine herausragende Geophysikerin und ehemalige Präsidentin des Darwin College der Universität Cambridge. Da Rosemary Fowlers Mobilität eingeschränkt war, fand die Abschlussfeier am Darwin College in Cambridge statt.

Im Laufe der Zeit wurden Rosemarys Beiträge in verschiedenen Veröffentlichungen oft entweder ihrem Ehemann oder Powell zugeschrieben. Powell würdigte jedoch ausdrücklich Rosemarys großen Beitrag zu dieser Entdeckung. Es scheint sich jedoch um ein Beispiel für den „Matilda“-Effekt zu handeln, bei dem die Beiträge von Wissenschaftlerinnen oft übersehen oder ihren männlichen Kollegen zugeschrieben werden. [Der Matilda-Effekt ist nach der amerikanischen Schriftstellerin und Aktivistin Matilda Joslyn Gage benannt. Im Jahr 1870 verfasste sie eine Broschüre mit dem Titel „Die Frau als Erfinderin“, in der sie die damals weit verbreitete Ansicht anprangerte, Frauen fehle es an Kreativität und wissenschaftlichem Talent. ]

Rosemary ist nicht die einzige Wissenschaftlerin, deren Beiträge unterschätzt wurden. Powell erhielt 1950 den Nobelpreis für Physik für die Entdeckung der Pionen mithilfe der fotografischen Emulsionstechnik, doch der Beitrag der Erfinderin dieser Technik, der österreichischen Physikerin Marietta Blau (1894–1970), wurde übersehen, obwohl sie später von Schrödinger viele Male als Kandidatin für den Nobelpreis nominiert wurde. Auch die indische Physikerin Bibha Choudhuri (1913–1991) fand während des Zweiten Weltkriegs in einem in Nature veröffentlichten Artikel Hinweise auf Pionen, doch ihre Arbeit war noch weniger bekannt als die von Blau …

Jetzt, 75 Jahre nach ihrer Entdeckung, wurde Rosemary die Ehrendoktorwürde verliehen, was beweist, dass ihr wichtiger Beitrag immer in Erinnerung bleiben wird.

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