Toen een ‘scanner’ genaamd Minnie van der Merwe Rosemary Brown een fotografische dia overhandigde met een ongebruikelijke configuratie van deeltjessporen, wist de natuurkundige dat ze iets op het spoor was. “Ik keek heel goed en dacht: dit is het”, zegt ze.

Dat was in 1948, toen Brown – nu 97 en bekend onder haar getrouwde naam Fowler – een 22-jarige promovendus was in de groep van Cecil Powell aan de Universiteit van Bristol, VK. Ze keek naar deeltjessporen in fotografische emulsies die waren blootgesteld aan kosmische straling. Vóór de komst van deeltjesversnellers waren dergelijke emulsies de belangrijkste gegevensbron voor exotische hoogenergetische deeltjes. Fowler had weinig twijfel over wat ze had gevonden in wat de ‘ok-track’ – maar het uitwerken van het ‘waarom’ van haar ontdekking hield deeltjesfysici het grootste deel van een decennium bezig. Toen ze daar uiteindelijk in slaagden, vernietigde het het idee dat de natuurwetten zich aan bepaalde symmetrische manieren van werken hielden, met een weerklank die tot op de dag van vandaag voortduurt.

Impliceert de kwantumtheorie dat het hele universum voorbestemd is?

De decennia aan weerszijden van de Tweede Wereldoorlog waren een bloeiperiode voor de ontdekking van deeltjes. In de jaren dertig was de lijst van subatomaire deeltjes groter geworden dan het duo van het elektron en het proton, met de ontdekking van het neutron, het muon (een zwaardere versie van het elektron) en het eerste antimateriedeeltje, het positron. In 1947 bevestigde Powell het bestaan ​​van de pion¹, de eerste van een nieuwe klasse deeltjes die bekend staat als mesonen. Deze werden in 1934 door de Japanse natuurkundige Hideki Yukawa voorspeld als dragers van de sterke kernkracht – een van de vier fundamentele natuurkrachten. (Het is nu bekend dat mesonen uit quarks bestaan, waarvan de interacties, door de uitwisseling van gluonen, de foundation vormen van deze kracht.)

In december 1947 gingen George Rochester en Clifford Butler van de Universiteit van Manchester, Verenigd Koninkrijk, nog een stap verder met de meson-ontdekking. Ze legden uit hoe ze in 5.000 wolkenkamerfoto’s bewijs hadden gevonden² van wat zij de theta nul noemden (ϴ⁰), een neutraal geladen meson dat in pionen verviel. De ontdekking van Fowler, slechts een paar maanden later, was zowel vergelijkbaar als opvallend verschillend. Het laboratorium van Powell had de techniek van het gebruik van emulsieplaten geperfectioneerd om de inhoud van kosmische straling die de atmosfeer van de aarde binnendringt te onderzoeken. De k-De spoorplaat kwam van een set die was tentoongesteld in het laboratorium op grote hoogte in Jungfraujoch, Zwitserland, op 3.571 meter boven zeeniveau. Het onthulde een deeltje, geïdentificeerd als ‘tau’, met dezelfde massa als a ϴ⁰maar dat verviel anders: naar drie pionnen, in plaats van twee.

Een spiegel is gebarsten

Op de ontdekking volgde een intensieve werkperiode. “Er moest veel worden gemeten en berekend voordat de bevinding kon worden gepubliceerd. We wisten dat het een belangrijke ontdekking was, dus hebben we heel laborious gewerkt om alles snel gedaan te krijgen”, zegt Fowler. Het group schreef snel achter elkaar drie artikelen, waaronder twee die werden gepubliceerd in Natuur in januari 1949. Alle drie vermeldden Fowler (toen Brown) als de eerste auteur^3–5. Dit volgde de afspraak dat auteurs in alfabetische volgorde werden vermeld, maar erkende ook dat zij degene was die de ontdekking had gedaan.

Om de implicaties van Fowlers ontdekking te begrijpen, moeten we ons verdiepen in wat werd beschouwd als een fundamentele symmetrie van de natuur, bekend als pariteit. De uitspraak ‘pariteitssymmetrie blijft behouden’ komt erop neer dat een gespiegelde versie van een fysiek proces web zo gemakkelijk in de natuur zou moeten voorkomen als het oorspronkelijke proces. In de deeltjesfysica wordt pariteitssymmetrie uitgedrukt door een kwantumgetal dat beschrijft hoe een deeltje zich gedraagt ​​als je het in één ruimtelijke coördinaat omdraait. De totale pariteit wordt berekend door de pariteitsgetallen van alle betrokken deeltjes in de verschillende fasen van een deeltjesproces te vermenigvuldigen. Als de pariteitssymmetrie behouden blijft, kan de totale pariteit niet veranderen.

De doorbraak in de deeltjesfysica die de weg vrijmaakte voor het Higgsdeeltje

Een pion heeft een pariteit van −1, dus de eindtoestand van drie pionen van Fowler’s tau-mesonverval heeft ook een algemene pariteit van −1. Maar de eindtoestand met twee pionen van de ϴ⁰ verval heeft pariteit +1. Als de pariteit behouden blijft, moeten de twee initiële deeltjes ook verschillende pariteiten hebben – en daarom verschillende soorten deeltjes moeten zijn. Maar geen enkel theoretisch idea zou kunnen verklaren waarom twee deeltjes van verschillende typen precies dezelfde massa zouden kunnen hebben. Dit werd bekend als de tau-theta-puzzel.

Na Fowlers eerste observatie volgden veel groepen haar sporen. Ze doorzochten foto’s in de wolkenkamer en lieten stapels emulsies in weerballonnen hoog de atmosfeer in vliegen om te zoeken naar tekenen van het verval van het tau-meson. In 1953 had deze activiteit geleid tot in totaal elf evenementen. In 1955 waren er nog 35 gebeurtenissen geproduceerd met behulp van de Bevatron, een enorme deeltjesversneller van het Lawrence Berkeley Nationwide Laboratory in Berkeley, Californië, die naast kosmische straling een alternatieve bron van hoogenergetische deeltjes vormde. Gaandeweg werd een nieuwe naamgevingsconventie geïntroduceerd: de initiële deeltjes werden bekend als Ok mesonen of kaonen, en theta en tau verwezen in plaats daarvan naar de vervalmodi die respectievelijk resulteerden in twee en drie pionen. Gezien het feit dat alle betrokken onderzoekers bekend zouden zijn geweest met de ziekte van Fowler ok-track, het lijkt een zeer waarschijnlijke bron voor deze conventie.

Met nauwkeurigere metingen bleven de massa’s van de twee soorten kaon identiek en werd de tau-theta-puzzel alleen maar verwarrender. Uiteindelijk kwamen deeltjesfysici in april 1956 bijeen op een conferentie in Rochester, New York, om uit te zoeken wat er precies aan de hand was met kaonen en verschillende andere verwarrende ‘vreemde’ deeltjes die in de tussentijd waren ontdekt. Noch Fowler, noch Powell waren aanwezig, maar grootheden als Murray Gell-Mann en Richard Feynman waren er wel. In de herinnering van Gell-Mann deelde Feynman een kamer met experimenteel Martin Block, die hem vroeg: ‘Wat als de pariteit niet behouden blijft? Kunnen tau en theta dan niet hetzelfde zijn?’ Feynman stelde dit tijdens de bijeenkomst voor. Het bleek dat niemand ooit daadwerkelijk had bewezen dat de pariteit behouden bleef, vooral niet in de zwak-nucleaire interactie, die het verval van kaon regelt.

Theoretici Tsung-Dao Lee en Chen-Ning Yang waren ook bij die bijeenkomst en stelden in oktober voor dat de pariteit zou worden geschonden⁶. Aanvankelijk werd hun artikel met scepsis bekeken, waarbij Feynman zelfs een persoonlijke weddenschap plaatste met een notering van 50:1 tegen pariteitsschending. Er was een experiment nodig om het idee te bevestigen of te weerleggen. Dat experiment werd eveneens in 1956 uitgevoerd door Chien-Shiung Wu van het Nationwide Bureau of Requirements in Washington DC. Ze toonde overtuigend aan dat de pariteit niet behouden bleef in het β-verval van kobalt-60, dat ook plaatsvindt door de zwakke kernkracht⁷. Andere experimentele resultaten werden al snel toegevoegd aan de stapel, totdat het onmiskenbaar was. De oplossing voor de tau-theta-puzzel was dat de twee soorten kaon één en dezelfde waren, maar dat pariteit geen fundamentele symmetrie van de natuur was.

Het experiment van Wu was zo knap dat ze er ook in slaagde te bewijzen dat de natuur een tweede symmetrie verbrak, genaamd C voor ladingsconjugatie. Dit drukt het idee uit dat als je alle deeltjes in een interactie met hun antideeltjes verwisselt, de interactie nog steeds op dezelfde manier zou moeten gebeuren. Deze bevinding vormde de weg vrij voor natuurkundigen om hun opvattingen over andere veronderstelde symmetrieën van de natuur te herzien. Er werd voorgesteld om ‘CP’, de combinatie van ladings- en pariteitsbehoud, te behouden, maar vervolgens werd aangetoond dat het in 1964 werd geschonden – ook bij het verval van kaonen.

Ook in 1964 ontstond het idee van ‘spontane’ symmetriebreuk in de deeltjesfysica, gevolgd in 1967 door de toepassing van dit idee op ‘elektrozwakke’ symmetriebreuk. De elektrozwakke theorie legt uit hoe de zwakke nucleaire en elektromagnetische krachten verenigd zijn bij hoge energieën, zoals die in het vroege heelal, maar voor ons afzonderlijke krachten lijken te zijn die worden gemedieerd door deeltjes met zeer verschillende massa’s. Spontane symmetriebreuken suggereerden het bestaan ​​van het Higgs-deeltje – een deeltje dat uiteindelijk in 2012 werd ontdekt bij de Massive Hadron Collider op CERN, het Europese deeltjesfysica-laboratorium nabij Genève, Zwitserland. Tegenwoordig zouden asymmetrieën in het verval van kaonen en andere deeltjes die bij CERN en elders worden onderzocht, de weg kunnen wijzen naar nieuwe effecten die verder gaan dan het standaardmodel van de deeltjesfysica.

Het ‘Matilda’-effect

Het baanbrekende karakter van haar ontdekking roept de vraag op waarom zo weinig mensen van Fowler hebben gehoord. Op de meeste natuurkundeafdelingen van haar tijd werd de gendergelijkheid maximaal geschonden. Powells laboratorium was een uitzondering. De samenloop van oorlogstijd en een nieuwe benadering van de wetenschap hadden het genderevenwicht veranderd. De grote hoeveelheden fotografische gegevens die werden verzameld, betekenden dat Powell groups van scanners had ingezet, waaronder Van der Merwe. Deze scanners, van wie de meesten vrouwen waren, doorzochten nauwgezet de foto’s en overhandigden alles wat ongewoon of interessant was aan een van de natuurkundigen voor verdere analyse.

Honderdjarig bestaan ​​van deeltjespionier

Fowler was geen scanner. Ze was een van de weinige vrouwen die werd uitgenodigd voor een doctoraat in de natuurkunde, nadat ze een eersteklas diploma had behaald – een uitzonderlijk resultaat voor iedereen, vooral in die tijd. Ze was slim en besluitvaardig, nam slechts twee dagen vakantie en begon in juni 1947 met werken. Nadat ze haar ontdekking had gedaan, was de eerste persoon aan wie ze het vertelde collega-promovendus Peter Fowler. “We hebben een tijdje gekeken en nagedacht en genoten van het second van ontdekking. Toen heb ik het aan de anderen verteld”, zegt ze. Peter Fowler, de kleinzoon van kernpionier Ernest Rutherford, werd algemeen beschouwd als een briljante jonge natuurkundige. Drie jaar ouder dan Rosemary, hij zat een jaar lager dan zij, omdat zijn studie was onderbroken door oorlogsdienst. De twee trouwden in juli 1949.

Toen ik Rosemary vroeg waarom ze daarna de natuurkunde verliet, zonder haar doctoraat af te ronden, verwachtte ik een moeilijk gesprek, maar haar antwoord was pragmatisch. Ze leefde in een tijd van voedselrantsoenen, woningtekorten en grote opofferingen, en zonder tijdbesparende apparaten of kinderopvang voor hun drie meisjes, en besloot dat het voor de natuurkunde het beste zou zijn als Peter bleef werken. Ze zou hem vanuit huis helpen met zijn werk, het huis onderhouden en hun kinderen opvoeden – en nadat ze die beslissing had genomen, deed ze dat.

Rosemary’s bijdrage is in de loop van de tijd en in verschillende publicaties vaak toegeschreven aan haar man of aan Powell. Er lijkt hier geen sprake te zijn van kwaadwilligheid; Powell was nauwgezet in het erkennen van bijdragen. Maar het lijkt wel een goed voorbeeld te zijn van het ‘Matilda’-effect, het fenomeen waarbij de bijdragen van vrouwelijke wetenschappers vaak over het hoofd worden gezien of worden toegeschreven aan hun mannelijke collega’s.

Rosemary is zeker niet de enige, zelfs niet in dit verhaal. Powell received in 1950 de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor de ontdekking van het pion met behulp van de emulsietechniek, terwijl de bijdragen van de uitvinder van de techniek, de Oostenrijkse natuurkundige Marietta Blau, over het hoofd werden gezien. Bewijs voor de pion verscheen ook in Natuur artikelen van de Indiase natuurkundige Bibha Choudhuri, gepubliceerd tijdens de Tweede Wereldoorlog⁸; haar werk is nog minder bekend dan dat van Blau. Lee en Yang ontvingen in 1957 de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor hun werk op het gebied van pariteitsschending; Wu kreeg een dergelijke erkenning niet. Nu, 75 jaar na de ontdekking van Rosemary en gezien het lange termijn perspectief van het belang ervan in de natuurkunde, lijkt het passend om haar deel van de zaak recht te zetten.