Chien- Shiung Wu es conocida principalmente por un experimento en particular, el primer experimento en demostrar, de forma inequívoca y definitiva, que la anterior suposición de que se conservaba la paridad en la fuerza nuclear débil no era válida. Sin embargo, por aquel entonces ya había hecho muchas otras aportaciones substanciales a la física nuclear siendo reconocida como uno de los mayores físicos experimentales de su tiempo. Contaba con una habilidad sin igual para valorar las exigencias del experimento, así como las capacidades y limitaciones de las herramientas de que disponía. Identificaba con facilidad las posibles fuentes de error, tanto en su propio trabajo como en el de otros, y utilizaba dicho conocimiento en la planificación de la próxima investigación experimental. Cuando ponía a prueba los modelos teóricos mediante la búsqueda de fenómenos todavía no observados, siempre estaba alerta a las trampas o dificultades que podían invalidar la investigación y hacía lo necesario para evitarlas. Una gran científica cuya historia empezó el 31 de mayo de 1912.

Chien- Shiung Wu nació en Liu Ho, un pequeño pueblo cerca de Shangai. Asistió a la primera escuela para niñas de China, que había fundado y dirigía su padre y, a los nueve años, fue enviada al internado Soochow Girls School, situado en Suzhou. En secundaria se debía elegir entre dos opciones: una escuela académica y una escuela para la formación de profesores; y Wu, sin saber todavía lo que quería hacer, se decantó por la enseñanza. Pero por las noches, en la residencia femenina, se dio cuenta de que sus compañeras tenían libros de texto muy interesantes de física, matemáticas y química y empezó a pedírselos prestados para estudiarlos por su cuenta. Se graduó a los diecisiete años con las calificaciones más altas de su clase.

Durante ese verano de 1930, le comunicaron que había sido admitida en la selecta y minoritaria Universidad de Nanjing. La noticia la aterró. Deseaba estudiar física pero era muy consciente de que no estaba preparada para hacer frente a ese reto, que tenía que seguir estudiando más antes de dar ese paso. Por suerte, su padre no era de la misma opinión y el día después de haber recibido la carta, se plantó en casa con un paquete que contenía tres libros de física, química y matemáticas avanzadas. Le dejó claro que disponía de tiempo de sobra para estudiar antes de tener que asistir a la Universidad de Nanjing. Creía firmemente en la igualdad entre hombres y mujeres y en el potencial de su hija. La jovencita, finalmente le dio la razón y aprendió las tres asignaturas. «‘Si no hubiera sido por el aliento de mi padre, ahora estaría enseñando en una escuela de grado en cualquier parte de China.»

Universidad de Nanjing

Fue una líder revolucionaria estudiantil que confiaba en que las autoridades no se atreverían a expulsar a la mejor estudiante de la universidad. Cuando el 28 de septiembre de 1931, Japón invadió China, encabezó una delegación de estudiantes que invadió la mansión presidencial y no la abandonó  hasta conseguir que los recibiera el presidente Chian Kai-Shek. Este la escuchó y aceptó, en parte, adoptar algunas de las medidas que le propuso. Años más tarde se hicieron amigos y fue embajadora de la causa nacionalista  en Taiwán.

Hizo el doctorado sobre la estructura cristalina por difracción de rayos X bajo la dirección del profesor Shi Shiyuan, que había regresado del Instituto Curie en 1933. Tras graduarse en la Universidad de Nanjing con los máximos honores, trabajó durante un año como profesora asistente en el Departamento de Física de la Universidad de Hangzhou y después tomo posesión como asistente de investigación en el laboratorio de física de la Academia de Shangai. Allí continuó sus trabajos de cristalografía bajo la supervisión de la Profesora Jing-Wei Gu. Esta última acababa de volver de los Estados Unidos y, dado que en China no existía un programa de postgrado, alentó a Chien-Shiung a viajar allí para proseguir con su carrera. Ante su insistencia, envió una solicitud de admisión a la Universidad de Michigan cuya respuesta no pudo ser mejor. No solo la admitieron en el Departamento de Física sino que le brindaron apoyo para dedicarse a la investigación en espectroscopia atómica. Su tío se ofreció a proporcionarle los medios económicos necesarios para que siguiese su sueño de manera que, al final del verano, zarpó de Shangai camino a Ann Arbor…destino que no llegó a pisar.

La nave atracó en San Francisco a finales del verano de 1936 y, puesto que aún quedaba tiempo antes de que las clases diesen comienzo en la Universidad de Michigan, decidió visitar a un amigo en Berkeley. Este le comentó que había un estudiante chino, Luke Chia Yuan, que estaría encantado en mostrarle el campus y los laboratorios de física. Luke le presentó a Ernest Lawrence, quien reconoció su valía y le instó a cambiar sus planes y quedarse en Berkeley. Le proporcionaría el apoyo financiero que necesitase. Junto al jefe del departamento de física, le aseguró que, a pesar de que las clases habían comenzado varias semanas antes, podría ponerse al día con facilidad. Aceptó la propuesta entusiasmada, puede que, en parte, por culpa del físico de altas energías que le había hecho de cicerone por el campus. Era un estudiante a quien Lawrence tenía mucho aprecio y que se convertiría, más tarde, en el esposo de Chien- Shiung. Aquello marcó el verdadero inicio de su carrera científica.

Chien-Shiung Wu empezó a trabajar en Berkeley, bajo la dirección y supervisión de Emilio Segre. Durante el desarrollo de su tesis doctoral utilizó el ciclotrón para estudiar los productos de la fisión nuclear del uranio-235, el tema de moda en aquel momento.  La fisión nuclear es una reacción en la cual un núcleo pesado, bombardeado con neutrones, se convierte en inestable y se descompone en dos núcleos de tamaño parecido, liberando cierto número de neutrones (en general, dos o tres). Los núcleos resultantes son radiactivos y se desintegran en núcleos “hijos” que, en caso de ser inestables, sufren una nueva desintegración. El proceso continúa hasta que, finalmente, se produce un núcleo estable.

En el caso concreto del uranio-235, el bombardeo neutrónico lo convierte en uranio-236 que es sumamente inestable y se divide en Kriptón y Bario con la liberación de tres neutrones; o en xenón y estroncio, con el desprendimiento de dos. Las propiedades que analizó Wu en los miembros de la cadena de los productos resultantes, le permitieron estudiar con más detalle la interacción de las fuerzas nucleares.

Tras doctorarse quería permanecer en Berkeley pero por desgracia, en aquel momento las grandes universidades eran reacias a contratar a mujeres, judíos o asiáticos. Así que aceptó una oferta como profesora en el Smith College, una institución de mujeres situada en la costa este. Un día antes de su trigésimo cumpleaños, se casó con Luke Chia Yuan en el patio de la residencia de Robert Millikan, director del Instituto de tecnología de California (Caltech), en Pasadena. Yuan se doctoró ese mismo año y recibió una oferta para trabajar en el diseño de aparatos de radar en los  laboratorios RCA de Princeton. Mientras tanto Wu echaba de menos la investigación, el trato humano que recibía en el Smith College era muy bueno pero no había infraestructuras y añoraba la física experimental. Por fin, por mediación de Lawrence, fue la primera mujer contratada en la Universidad de Princenton como profesora.

Durante la II Guerra Mundial participó en el proyecto Manhattan en la Universidad de Columbia como científica senior. Se trasladó a Nueva York y volvía a Princenton los fines de semana. En un principio, trabajó en el enriquecimiento de uranio por difusión gaseosa y más tarde se unió a otro grupo del mismo laboratorio, liderado por Dunning, Booth, Heavens y Rainwater, cuyos experimentos eran necesarios en el diseño de los reactores nucleares entonces en desarrollo. Fue durante este periodo cuando surgió un problema al poner en funcionamiento el primer reactor productor de plutonio de Hanford. Cuando se paraba después de haber estado trabajando a alta potencia, no podía volverse a poner en marcha hasta pasadas unas horas. Fermi dedujo, acertadamente, que el efecto debía ser causado por un producto de fisión todavía desconocido. Emilio Segre sabía que la Dra. Wu, había medido las propiedades de muchos de ellos y decidió consultarle en nombre de Fermi. Al revisar sus datos, Wu identificó al culpable como el xenón-135 y se pudo llegar a una solución. Lo que ocurría es lo que se conoce como envenenamiento por xenón-135. Cuando el reactor se detiene, la cantidad de xenón-135 aumenta, absorbe neutrones e impide la reacción en cadena por unos días. Hasta que el xenón-135 no se desintegra, no se puede reiniciar el reactor.

Terminada la segunda guerra mundial, Wu decidió permanecer en Columbia y por fin se sintió libre de elegir hacia donde quería encaminar su carrera científica. En ese momento había varias áreas de interés en la física nuclear, pero sus anteriores investigaciones y el atractivo que sentía por el tema, la llevaron a concentrarse en el estudio de la desintegración beta. En este tipo de desintegración, un núcleo radiactivo se transforma en otro más estable emitiendo electrones (o positrones). Su interpretación teórica llevó de cabeza a los físicos durante años, ya que, entre otras cosas parecía violar los principios de conservación de la energía, de la cantidad de movimiento y del momento lineal.

A principios del siglo XX, una vez las investigaciones revelaron que los rayos beta eran electrones (el positrón se descubrió más tarde), surgió la incógnita acerca de la forma de su espectro energético. En 1906, Lise Meitner y Otto Hahn iniciaron su búsqueda con la idea de generalizar los resultados que Bragg había encontrado para la desintegración alfa. Se esperaba que el valor de la energía de los  electrones emitidos fuese igual a la diferencia de masas atómicas inicial y final, por el cuadrado de la velocidad de la luz (archiconocida equivalencia masa-energía).  Sin embargo, el método de medición de Meitner y Hann impidió que llegasen a resultados concluyentes y fue James Chadwick, quien más tarde descubriría el neutrón, quien modificó la técnica demostrando que el espectro era continuo.

Espectro del decaimiento beta

Esto significaba que los electrones no tomaban toda la energía disponible y se desconocía dónde iba a parar esta. En 1930, Wolfgang Pauli postuló la existencia de una partícula neutra, carente de masa y con muy poca interacción con la materia, que se repartía la energía con la partícula beta (electrón o positrón). Pero no fue hasta después del descubrimiento del neutrón por Chadwick, que Enrico Fermi dio nombre a la partícula de Pauli y desarrolló la teoría que describía la desintegración beta.

Hacia 1933, la mayoría de los físicos todavía creía que el neutrón era una partícula compuesta por un electrón y un protón y que los electrones formaban parte del núcleo. Fermi, por el contrario, al igual que Werner Heisenberg, defendía que el núcleo solo estaba constituido por protones y neutrones y, a diferencia de éste,  que el neutrón era una partícula elemental. Bajo esta hipótesis los rayos beta no estaban en el núcleo y,  por tanto, se creaban en el propio proceso. Fermi conjeturó que procedían de la desintegración del neutrón, que daba como resultado un protón, un electrón y un neutrino. También sostuvo que los neutrinos no preexistían en el núcleo, como había pensado Pauli. Su teoría no sólo predecía la forma del espectro de los electrones, sino que también proponía una relación entre el máximo de energía espectral y la vida media de la desintegración. Por desgracia, las mediciones que se hicieron para ratificarla, si bien confirmaron esta última relación, estuvieron en desacuerdo en cuanto a la forma del espectro para energías bajas.

En opinión de Wu, las medidas existentes eran de tan baja calidad que no permitían llegar a ninguna conclusión. Pero, dado que en su manera de proceder, no cabía limitarse a criticar el trabajo del prójimo, tomó cartas en el asunto. Era necesario identificar los posibles defectos de la técnica y el diseño, y mostrar el error que habían introducido. Por último, y más importante, había que desarrollar algún método para hacerlo correctamente.

Percibió que el problema podría deberse a la falta de uniformidad del espesor de la fuente emisora de radiación beta, así como del soporte en el que estaba situada. De su investigación doctoral, sabía que los electrones poco energéticos  se absorbían y dispersan con facilidad perdiendo una fracción sustancial de su energía en el proceso. Por tanto, en el experimento, la distribución de la energía de los electrones emitidos, se habría visto modificada por esta causa. Además, los espectrómetros beta que se utilizaban entonces tenían núcleos de hierro que producían efectos de histéresis y registraban valores erróneos del campo magnético. Por suerte, encontró en el almacén un espectrómetro solenoidal sin hierro que había sido guardado cuando se remodeló el laboratorio para la investigación en tiempos de guerra. En seguida reconoció las ventajas potenciales que podría ofrecer. Junto con varios de sus estudiantes graduados, recuperó su funcionalidad y modificó su diseño para optimizar la transmisión y permitir blancos más delgados. Tras un intenso trabajo, lograron disminuir mucho el grosor colocando la fuente en soportes muy finos, eléctricamente conductores, que evitaban la retrodispersión y la carga de la fuente.

Esquema del diagrama del espectrómetro magnético solenoidal

Además, para rematar la jugada, eligió un método cuyos resultados le permitían deducir si la técnica  aún estaba distorsionando el espectro. Seleccionó una fuente emisora tanto de positrones como de electrones, de manera que, la forma espectral de los dos tipos de partículas diferiría mientas que las distorsiones del espectro debidas al montaje experimental serían coincidentes. Si la distorsión era mínima y la teoría correcta, cada uno de los dos espectros se ajustaría a su forma predicha. Y eso fue lo que sucedió, los cambios instrumentales condujeron a valores que concordaban con las predicciones de la teoría de Fermi. Tras este triunfo inicial, no se dio por satisfecha y decidió llevar a cabo pruebas aún más rigurosas y precisas para un gran número de transiciones beta. El grado de ajuste entre tal variedad de espectros medidos con los previstos confirmó la validez de la teoría de Fermi.

Estos experimentos le valieron el reconocimiento internacional y la pusieron en camino al reto por el que se la recordaría en la historia de la ciencia. Pero esto, ya es otra historia…

Continuará…

BIBLIOGRAFÍA

“Chien-Shiung Wu: Biographical memoirs” Leon Lidofsky

“Dr. Chien-Shiung Wu” Lisa Andrews, Gierallyn Castro, Rocio Salcido y Melinda Yang

“Nobel Prize Women in Science” McGrayne, Sharon Bertsch

“Chien-Shiung Wu, 84, Top Experimental Physicist” William Dicke

“Chien—Shiung Wu. A Biographical Memoir” Noemie Benczer-Koller

Los artículos de «Chien-Shiung Wu, la gran física experimental» (I y II) han sido galardonados con el premio ED a la excelencia en la divulgación científica junto al post»El lado débil de la física (II): rompiendo la paridad» de El zombi de Schrödinger