Chien- Shiung Wu, la gran física experimental (II): A través del espejo

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 “Es el coraje de dudar en lo que hace mucho tiempo que estaba establecido y la incesante búsqueda de pruebas, lo que empuja las ruedas de la ciencia hacia delante.”

Como vimos en la primera parte, Chien-Shiung Wu se había ganado el reconocimiento como física experimental gracias a la comprobación de la teoría de Fermi de la desintegración beta. Había pasado largas horas en el laboratorio para lograrlo. El trabajo resultó tan duro que sus alumnos y coautores, la habían llegado a calificar de “tirana”. Al año siguiente de esta victoria, Wu tuvo otra satisfacción mucho más personal,  dio a luz al futuro físico Vincent Weichen Yuan.  Para estar más cerca de casa en su nueva situación, la familia se trasladó a un apartamento a dos manzanas de distancia del laboratorio. Su marido trabajaba en el Brookhaven National Laboratory en Long Island, donde residía durante la semana. Los viernes, al regresar a casa, pasaba por el laboratorio para echar una mano a su mujer y a sus estudiantes. Al igual que ella, contaba con gran destreza como físico experimental y su presencia siempre resultaba de gran ayuda. Por aquel entonces, desconocían que el experimento por el que se recuerda a Wu cada vez estaba más próximo…El debate sobre la conservación de la paridad en la interacción débil, estaba alcanzando su momento álgido.

La simetría de paridad está relacionada con la descripción matemática de un sistema y requiere que la imagen especular de un proceso, obtenida por la inversión de todas sus coordenadas espaciales, se comporte de manera análoga al proceso original. Por tanto, su conservación significa que las leyes de la física para una determinada interacción son las mismas que para su imagen en el espejo. El concepto fue introducido por primera vez en 1924 por Otto Laporte mientras describía la forma en que los átomos emiten luz. Tres años más tarde, el físico Eugene Wigner demostró que esta conservación era válida para la interacción electromagnética y, más tarde, también fue  verificada para la interacción fuerte entre nucleones. Parecía razonable suponer que era el modo como se comportaba la naturaleza y que, en consecuencia, todas las interacciones conservaban la paridad. Pero no era así, y fue el descubrimiento de dos nuevas partículas elementales en 1950, lo que puso en tela de juicio tal suposición.

Las partículas θ y τ parecían iguales, sólo se distinguían por sus modos de desintegración. Ambas tenían la misma masa y la misma vida media, pero τ se desintegraba en tres piones mientras que θ lo hacía en dos. Mediante análisis matemático, se había demostrado que el estado de dos piones y el de tres piones tenían paridad opuesta, lo que hacía difícil de entender por qué dos partículas tan similares presentaban propiedades tan diferentes respecto a su desintegración. Esta situación llevó por el camino de la amargura a muchos físicos notables y fue conocida como el enigma τ — θ.

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Para tratar de darle respuesta, los físicos Tsung Dao Lee y Chen Ning Yang hicieron frente al problema desde otro punto de vista. En lugar de centrarse en la razón por la cual se violaba la conservación de paridad en la interacción θ — τ, se preguntaron por qué se había creído siempre que la paridad debía conservarse en dicha interacción. De hecho, no habían sido capaces de encontrar ningún estudio experimental sobre la interacción débil, causante del proceso, que evidenciase tal comportamiento. Si no se conservaba, ya no había enigma τ — θ y se trataba de un caso de un estado padre con diferentes  caminos de desintegración en competencia.

El 22 de junio de 1956 enviaron un breve artículo a la revista Physical Review sobre la conservación de la paridad en la interacción débil en el que sugerían una lista detallada de experimentos que podían determinar si existía o no la violación de la misma. Las ideas de Lee y Yang no tuvieron muy buena acogida y fueron ignoradas o rechazadas por la mayoría de personas a las que se dieron a conocer. Sin embargo, una de las pruebas propuestas se basaba en la desintegración beta, e intrigó a la Profesora Wu que aceptó el desafío propuesto por Lee.

“La desintegración beta era como una vieja amiga. Siempre contó con un lugar especial en mi corazón reservado para ella.”

 Paridad[02]

El experimento que debía llevar a cabo requería la comparación de la distribución angular de los electrones emitidos en la desintegración beta de núcleos radiactivos orientados (polarizados) en direcciones opuestas. Si la paridad se conservaba, la cantidad de electrones medidos en ambas situaciones sería coincidente, en caso contrario, se demostraría la no conservación de la misma. Por tanto, el experimento requería que la fuente radioactiva fuese polarizable y que las betas pudiesen detectarse en función de su dirección de emisión respecto a la dirección de polarización. El profundo conocimiento de Wu de los diferentes átomos radiactivos y las características de su desintegración beta, fue fundamental en la elección de la fuente que más se adecuaba a estas necesidades y la escogida fue el  cobalto-60.

Bajo la influencia de un campo magnético, la mayoría de los núcleos de cobalto-60 se alinean en la dirección del campo. El problema es que para llevar a cabo esta polarización y evitar el efecto perturbador del movimiento térmico, se debía refrigerar a temperaturas cercanas al cero absoluto. Lograr estas características conllevaba una gran dificultad técnica y, dado que Wu no disponía del instrumental requerido para trabajar a esas temperaturas extremas, recurrió a quienes mejor podían hacerlo. El grupo encabezado por Ernest Ambler, Raymond W. Hayward, Dale D. Hoppes, y Ralph P. Hudson del National Bureau of Standards de Washington era experto en polarización a bajas temperaturas e incluso el propio Ambler había centrado su tesis en el estudio del cobalto-60. Sin duda, era el candidato ideal para preparar la fuente.

El método ideado consistió en depositar una capa muy fina de cobalto, de unas 60 micras, en la superficie de un cristal de nitrato de cesio y magnesio. Mediante evaporación a baja presión de helio líquido y desmagnetización adiabática con un campo de 2.3 T se consiguió llegar a 0,003 K. A continuación, se alinearon los núcleos de cobalto hacia arriba o hacia abajo haciendo circular corriente, en uno u otro sentido, por un solenoide coaxial con el dispositivo. La radiación gamma que también se emite en la desintegración, se empleó para controlar la dirección de polarización de los átomos de Co-60 y su uniformidad en la muestra.

El otro punto clave del experimento corrió a cargo del equipo de Wu que tuvo la difícil tarea de diseñar un detector de partículas beta que pudiese funcionar a temperaturas tan bajas y campos magnéticos tan intensos. El esquema final consistió en un cristal de antraceno de 9,52 mm de diámetro y 1,59 mm de espesor situado en el interior de una cámara de vacío a unos 20 mm por encima de la fuente de cobalto. Los destellos producidos por los electrones al impactar con el antraceno se transmitían a través de los diferentes elementos del detector hasta un fotomultiplicador conectado a un analizador de impulsos, cuya lectura informaba de los electrones detectados.

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Cuando el dispositivo experimental al completo estuvo ajustado y calibrado, se observó una gran asimetría en la dirección de la emisión beta, correlacionada con la dirección del campo polarizante. Pero esta primera evidencia no fue suficiente para Chien-Shiung Wu, que insistió en realizar extensas pruebas para rechazar cualquier otra posible causa. A finales de 1956, dio los resultados por válidos. La Profesora Wu había demostrado la falta de conservación de la paridad en la interacción débil. Cuando informó de ello a sus colegas de Columbia, R. L. Garwin, Leon Lederman, y R. Weinrich modificaron el experimento en el ciclotrón verificando, a su vez, la violación de la paridad. La publicación del trabajo de estos últimos se retrasó hasta que el grupo de Wu estuvo listo. Los dos artículos aparecieron uno detrás del otro en la revista Physical Review, en 1957.

Ese año, Tsung Dao Lee y Chen Ning Yang fueron galardonados con el Premio Nobel de Física por el desarrollo teórico mientras que Wu se quedó sin él. Se sintió muy disgustada a pesar de recibir apoyo por parte de todos sus compañeros y amigos, a quienes les pareció terriblemente injusto. El propio T. D. Lee declaró años más tarde que “C. S. Wu era una de los gigantes de la física. En el campo de la desintegración beta, no tenía igual.” De hecho, su libro “Beta Decay”, publicado en 1965, es un texto de referencia en física nuclear.

Un año después, en el 1958,  Richard Feynman y Murray Gell-Mann publicaron el artículo “Theory of Fermi Interaction” en el que postulaban la similitud entre la desintegración beta y la desintegración del muón. Su hipótesis de “corrientes vectoriales conservadas” (CVC) era una generalización de la teoría de la interacción de Fermi y debía ser comprobada. A tal efecto, ambos teóricos instaron a Wu a explorar su validez.  Pero la física, antes de iniciar una  misión tan compleja, quiso asegurarse de haber entendido muy bien todas las correcciones teóricas que habían introducido Feynman y Gell-Mann. Finalmente, llevó a cabo el experimento en Columbia, junto a Luke Mo y otros estudiantes. Midió con suma precisión la diferencia entre las formas de ambas desintegraciones encontrando que los resultados concordaban extremadamente bien con los predichos por la teoría. Con ello se demostraba el fenómeno que se conoce como “magnetismo débil” y se daba el primer paso para la unificación de dos de las interacciones básicas de la naturaleza en lo que se conocería como interacción electrodébil.

[Para más información sobre la rotura de la paridad consultad el post “El lado débil de la física (II): rompiendo la paridad” de El zombi de Schrödinger  , al que está enlazado esta entrada.]

Y por si eso fuese poco, nuestra física seguía decidida a emprender aventuras más difíciles todavía. El gran interés que sentía por los neutrinos hizo que se embarcase en el análisis de la desintegración beta doble. El rendimiento de estos experimentos es bajísimo ya que la probabilidad de que se dé proceso es mínima y, por tanto, su análisis es muy dificultoso. Sin embargo, las mediciones  de Wu en átomos como el calcio-48 y el selenio-82 lograron reducir el límite superior de ocurrencia de la doble desintegración beta a valores no alcanzados hasta entonces.

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El siguiente turno, uno de los últimos, correspondió a la investigación de los átomos exóticos. En estos átomos, una o más partículas subatómicas, positivas o negativas, han sido substituidas por partículas elementales diferentes. Un ejemplo sería un átomo de hidrógeno en el que el electrón fuese substituido por un muón o un pión. Las nuevas inquilinas son más masivas que sus predecesoras y tremendamente inestables. Como consecuencia la vida útil del átomo exótico es muy corta y su estudio más peliagudo, lo cual, por otra parte, no constituía un impedimento para nuestra científica. La idea era medir, con la más alta precisión y exactitud posibles, la energía de los fotones de rayos X que emitían los átomos exóticos al desexcitarse hasta su estado fundamental. Esta energía correspondiente a la diferencia energética entre los estados inicial y final dependía de la masa de las partículas fundamentales substitutas, así como de su momento magnético. Así pues, el experimento aportaba información sobre estas características. Entre los resultados obtenidos, se determinó la masa de los antiprotones. Este hecho es destacable ya que permitió estudiar si la ley de simetría que establecía que una partícula tiene la misma masa que su correspondiente antipartícula era válida. El valor hallado difirió de la masa del protón en una parte en diez mil, lo que no se tomó como evidencia de la violación de dicho teorema.

La forma de trabajar en esta última investigación fue muy diferente a las anteriores. El equipo involucrado era mucho más numeroso e incluía a Chien-Shiung Wu, a sus estudiantes graduados, a investigadores asociados y a coinvestigadores senior. Además, en estos experimentos la duración era mucho mayor que en los que había protagonizado hasta entonces, siendo las secuencias de medición de varios cientos de horas. La adquisición estaba automatizada y los seres humanos sólo intervenían en caso de fallo de los equipos. A Wu este modo de proceder le resultaba menos satisfactorio ya que disfrutaba más haciendo experimentos en su laboratorio con la colaboración de dos o tres personas.

De todas formas, su carrera investigadora no se alteró por ello y siguió su trabajo experimental en física nuclear, física de la materia condensada e incluso en biología hasta los setenta años. Estaba totalmente entregada a su trabajo. Tal y como escribió Wolfgang Pauli en una carta a su hija: “Frau Wu está tan obsesionada con la física como lo estaba yo cuando era joven.” Y, si bien es cierto que no ganó el premio gordo, léase Nobel, sí vio recompensada esta entrega de muchas otras formas. Una de ellas, quizá la que le hizo más ilusión, fue la concesión del doctorado honoris causa por parte de la Universidad de Princeton en 1958, que se otorgó por primera vez a una mujer. Otros de los honores recibidos fueron la elección como miembro de la Academia Nacional de Ciencias (1958), el prestigioso Premio Wolf otorgado por el Estado de Israel (1978 ), el Premio de Investigación de la Corporación (1958 ) o el Premio Tom Bonner de la Sociedad Americana de Física ( 1975 ) de la que fue la primera mujer en servir como presidente . En 1998 fue introducida en el Salón de la Fama Nacional de la Mujer de América .

En la última etapa de su vida, tras su retiro en 1981, fue nombrada Profesora Emérita de Columbia y centró sus esfuerzos en la docencia y comunicación científica a través de la impartición de un importante número de conferencias y cursos especializados. En la misma línea, también dedicó su tiempo a la elaboración de programas educativos para la República Popular de China y Taiwán. Como mujer científica, se pronunció en diversas ocasiones sobre la poca presencia de mujeres en este ámbito. Para ella, la principal razón no se debía tanto a su estatus socioeconómico sino a la losa que suponía la propia tradición asociada a las ciencias puras que se identificaban como un terreno masculino.

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Chien-Shiung Wu murió el 16 de febrero del 1997 de un derrame cerebral. Sus restos fueron enterrados en China y descansan en la Ming De School, en un elegante monumento conmemorativo diseñado por el Profesor T. D. Lee.

La herencia que nos dejó es una clara manifestación de hasta qué punto es crucial la aportación de los buenos físicos experimentales en el progreso de la ciencia. Si el método científico requiere pruebas, las personas que de una u otra forma, han puesto y ponen sus amplios conocimientos al servicio de estas comprobaciones posibilitan el avance de la ciencia. Sea esta entrada mi pequeño homenaje y reconocimiento a todas ellas.  Un antiguo poema chino de Qu Yuan (ca. 340-278 BCE) puede resumir la vida de nuestra protagonista, pero también la de todos estos científicos a quienes dedico el post:

“Aunque el camino es largo y arduo, estoy determinado a explorarlo por entero.”

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  

Esta entrada ha sido galardonada con el premio ED a la excelencia en la divulgación científica en conjunto con los dos artículos de Los Mundos de Brana sobre la vida de Chieng Sung Wan


Acerca de Laura Morrón

Licenciada en Física por la Universidad de Barcelona y máster en Ingeniería y Gestión de las energías renovables por IL3. Tras años dedicada a la protección radiológica, he encontrado un empleo, como editora y coordinadora editorial de Next Door Publishers, que aúna mi pasión por la divulgación científica y la literatura. Aparte de esta labor, también ejerzo de divulgadora en mi blog «Los Mundos de Brana» —premiado en la VI edición del Concurso de Divulgación Científica del CPAN—, en el podcast «Crecer soñando ciencia» y en las plataformas «Naukas» y «Hablando de Ciencia». He colaborado en el blog «Desayuno con fotones» y los podcasts de ciencia «La Buhardilla 2.0» y «Pa ciència, la nostra». Soy socia de ADCMurcia, AECC, Cienciaterapia, Asociación Podcast y ARP-SAPC. En 2015 tuve el honor de ser galardonada con el premio Tesla de divulgación científica de «Naukas».
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19 respuestas a Chien- Shiung Wu, la gran física experimental (II): A través del espejo

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  4. Al igual que me pasó con Marie Curie y “El diario de Manya”, o con Marie Goeppert-Mayer, estas entradas siempre me dejan con ganas de saber más sobre las protagonistas.
    Lo malo es que no hay tiempo para leer todo lo que a uno le apetece.

    Seguimos aquí. No nos vamos.
    😉

  5. Ha sido un placer compartir este programa doble contigo.

    Sabía que Wu en tus manos sería mucho mejor de lo que yo podría hacer y está claro que acerté. Gracias por este complemento perfecto para el lado débil de la física ; )

    • Gracias a ti por TODO, por divulgar con la pasión y calidad con las que lo haces, por tu originalidad y gamberrismo, y sobre todo por ser tan buenísima persona.
      Un besote!!!

  6. Me lo he leído otra vez, con más detenimiento, después de leer el del Zombi, y me ha gustado más que la primera.

    Os habéis pegado una panzada de curro.

    Sois cojonudos. Y lo bueno es que lo hacéis porque os gusta.

    Y magnífica idea la colaboración entre los dos blogs.

    Y ya no sé qué más puedo decir…

    Un beso.

    🙂 🙂

    • Muchas gracias Antonio,
      Me alegro de que te haya gustado más. No debía haberme quejado “en público” porque tengo lectores como tú que siguen por aquí y fui desagradecida. Me sentí un poco desilusionada por todo el trabajo y la ilusión que le había puesto. Vamos, que de las 2000 visitas se quedasen en unas 400 significa que muchas de las primeras no lo leyeron y les daba igual como seguía o no les gustó. Pero bueno, son cosas que pasan.
      Un beso muy fuerte y gracias por todo el apoyo.
      El Zombi es una persona extraordinaria.

      • No. Y en ningún caso me pareció que fueras desagradecida. Todo lo contrario. Es un trabajo el que hacéis que es difícil que os lo agradezcamos lo suficiente.

        Y además, hay lecturas que no son de interpretación inmediata, y hay que volver. Pero nada más.

        🙂 Que tengas un días espléndido.

        🙂

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  9. Luis dijo:

    Una pregunta de ignorante. No tiene nada que ver con el post, pero me ha venido a la cabeza tras ver las fotos. Siempre aparecen los físicos al lado de máquinas que parecen artesanas, que han tenido que diseñar, montar y crear de cero. Aquí aparece la protagonista junto a una que está ¡calzada con ladrillos! Me parece alucinante tener en la cabeza ideas tan abstractas (al menos a mí me lo parecen) y además saber diseñar el aparato o máquina necesaria para probar la idea o hipótesis. ¿Cómo se puede estar seguro de que la maquina prueba lo que quieren probar?

    • Hola Luis!!!
      Pues suerte que era una pregunta de ignorante…. El diseño de instrumentos es muy complejo y requiere de unos grandes conocimientos de la física. Se debe saber cómo responden cada una de las partes y hacer muchas pruebas. Lleva años diseñar los instrumentos. Precisamente de esto va un video que seguramente has visto pero que el viernes podrás ver en este blog. 😉 Primicia!!!

  10. bioamara dijo:

    Me ha encantado el post Laura. Tengo una especial sensibilidad con las biografías, y sin son de mujeres luchadoras que no han tenido todo el reconocimiento merecido, más. Como siempre digo, mujer y ciencia, en esa época era un binomio aún más complejo.
    No he entendido algunas conceptos del post, pero creo que es normal y se debe a mi ignorancia científica en este campo (como en otros muchos). Me llama poderosamente la atención cómo esta pedazo de investigadora, en los últimos años como comentas, incluso se dedicó a la Biología!! No me veo yo ni asomándome a la Física.
    Increíble la capacidad de trabajo de Chien-Shiung. Aún más, considerando las dificultades tecnológicas del momento.
    Momento tierno: cuando he leído que fue T. D. Lee el que diseñó el monumento conmemorativo en el lugar donde reposa…

    Fantástico post Laura. Merecidísimo del Premio recibido.
    Un beso!

    • Muchas gracias Rosita,
      Lo cierto es que este post, junto al anterior, me llevó infinitas horas de búsqueda de información y de reescritura. Lo que más me costó fue valorar hasta qué punto explicaba. Sabía que habría palabros difíciles de comprender pero pensé que las personas que no dispusiesen de formación específica podrían obviarlos y aceptarlos como un descubrimiento importante que hizo, mientras que aquellos que supiesen tendrían idea de lo que había hecho y siempre podrían buscar más información. Tenía miedo que profundizando aún más en algunos de esos descubrimientos los lectores pudiesen huir despavoridos. Supongo que me pasa con bastantes de los posts históricos. Me preocupa que la gente no lo entienda… es complicado.
      Muchísimas gracias por tu apoyo continuo Rosa, lo agradezco infinitamente.
      Un beso muy fuerte,
      Laura

      • bioamara dijo:

        Entiendo la complejidad del post Laura, y el curro que hay detrás. Buscar un equilibrio en la información que se aporta es difícil. Profundizar excesivamente tiene el riesgo de no ser divulgación científica “abierta” y como tú dices, provocaría un abandono masivo ante el aburrimiento o la incomprensión de la lectura. Lo has hecho perfecto.

  11. Pingback: Partículas | Annotary

  12. darksapiens dijo:

    Y queda leída la segunda parte. Me ha encantado, Laura, y las explicaciones de los experimentos son uno de los puntos fuertes del post: con el nivel de detalle justo, que (al menos para un físico) las equilibran perfectamente entre claras, detalladas y concisas 🙂

    ¡Tengo que sacar el tiempo para leerte más como te mereces!

  13. No sabes cuánto me alegro Héctor. Eres un sol y me hace muchísima ilusión que te haya gustado.
    Un besazo

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