Madame Wu

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Shanghai, la ciudad próspera que nunca duerme. Autor de la obra: Yuan Xiutang, 1930.

El escenario para el nacimiento de una niña talentosa puede ser cualquiera. Chien-Shiung Wu, una de las figuras más importantes de la física del siglo XX, respiró por primera vez, en 1912, el aire de Shanghai; ciudad al Sureste de China, sobre el delta del majestuoso río Yangtze. Eran tiempos turbulentos, de transformaciones políticas y sociales para China; de esperanza para algunos, de zozobra para otros. El primero de Enero de 1912 China dejaría de ser Imperio para convertirse en República.

Shanghai significa literalmente: ciudad en el mar. Desde el siglo XIX floreció al intercambio comercial y cultural, hubo inmigración tanto de interior de China como del extranjero, situación que permitió la entrada de la influencia cultural occidental. En las primeras décadas del siglo XX era una ciudad próspera e industrial.  

Segunda entre 3 hijos, Chien-Shiung Wu (también conocida como Madame Wu) mostró interés por los libros y las matemáticas desde muy pequeña. Creció en una casa llena de libros y revistas, su familia la estimuló a amar la lectura. Su padre, Zong-Yi Wu, era un visionario progresista, adelantado a su tiempo. Él creía en la educación para todos; y, sobre todo, creía en educar a las niñas, quienes en esa época, a duras penas, lograban recibir enseñanza en su casa, si es que recibían alguna. Madame Wu, hizo sus estudios básicos en una de las primeras escuelas que aceptaron niñas en Shanghai, fundada por su padre.

En 1934, obtuvo el título de licenciatura en física en la Universidad Central Nacional de Nanjing. Luego, enseñó y trabajó en cristalografía de rayos X en la Academia Nacional de Ciencias de Shanghai. Ávida de continuar su carrera, viajó a EEUU donde recibió su PhD en 1940 en la Universidad de California en Berkeley. Su disertación doctoral versó sobre productos de fisión de Uranio. Después de pasar dos años como asistente de investigación en Berkeley, enseñó en el Smith College, Northampton, Massachusetts y luego en Princeton, New Jersey. Debido a sus reconocidas habilidades como física nuclear, Madame Wu fue seleccionada para trabajar en el Proyecto Manhattan desde la Universidad de Columbia, New York. Allí comenzó su carrera  primero como investigador asociado y luego como profesora. Durante el proyecto Manhattan, desarrolló procesos para separar Uranio-235 y Uranio-238 y contribuyó en el mejoramiento del contador Geiger.

En los años 50s, Madame Wu ya era famosa entre sus colegas por su experticia en física nuclear y su exquisito cuidado en cuanto a la precisión y reproducibilidad de los experimentos. Era una época de rápidos desarrollos de la física del microcosmos, había capacidad instrumental y enigmas por resolver. El ambiente estaba maduro para desvelar secretos de la naturaleza y Madame Wu participaría como pieza clave en descubrimientos cruciales del siglo XX.

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Madame Wu y Wolfgang Pauli, 1940. Imagen: Institute of Physics.

Las simetrías del microcosmos

Teóricamente el mundo subatómico está gobernado por un grupo de simetrías del espacio tiempo conocido formalmente como el grupo de Poincaré. Las simetrías son fundamentales en física, de ellas extraemos información esencial, esto es, nos permiten identificar cantidades conservadas, (como la energía, la carga y el momentum) y revelan propiedades de las partículas subatómicas y sus interacciones. Además del grupo de Poincaré, el Modelo Estándar contiene también otras simetrías, llamadas internas, relacionadas con las fuerzas fundamentales: electromagnética, débil y fuerte. Esto significa que las ecuaciones de la física que describen la materia y sus interacciones a nivel subatómico cumplen con esas simetrías. Desde principios del siglo XX, los resultados experimentales han coincidido de manera espectacular con estas ecuaciones. De modo que, en principio, no hay razón para dudar que todas las simetrías están presentes en los procesos subatómicos. Sin embargo, en 1957, Madame Wu mostraría al mundo, experimentalmente, que hay procesos subatómicos particulares que no cumplen con algunas simetrías del espacio tiempo.

El decaimiento beta y la importancia de romper el espejo

El decaimiento beta es un proceso nuclear que se observa en algunos isótopos radiactivos, durante el cual el núcleo emite electrones y neutrinos, mientras ocurre una transmutación del elemento químico. El ejemplo emblemático, que corresponde al experimento específico de Madame Wu, consiste de una muestra de Cobalto 60 que transmuta en Níquel 60. En esta nomenclatura, 60 es el número total de protones y neutrones en el núcleo, el Cobalto 60 tiene 27 protones y 33 neutrones, mientras que el Níquel 60 tiene 28 protones y 32 neutrones. De modo que, en este decaimiento beta, un neutrón del Cobalto 60 decae en protón, electrón y antineutrino.

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Decaimiento beta de un núcleo atómico.
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Decaimiento beta en detalle. Aquí vemos como cambia la naturaleza del nucleón (neutrón en este caso) a nivel de los quarks en una reacción mediada por un bosón W(-).

El decaimiento beta es de naturaleza electrodébil, es decir, la fuerza que lo gobierna es la electrodébil (que llamaré en corto: débil). Durante los años 50s hubo mucho interés en las reacciones débiles, experimentalmente se tenía la sospecha de que estas interacciones violan algunas simetrías del espacio-tiempo. Es razonable pensar que la naturaleza no tiene porqué darse cuenta de estas transformaciones de coordenadas. Sin embargo, había indicios de que los procesos débiles no conservaban la simetría de Paridad.

El grupo de simetrías de Poincaré incluye a las traslaciones en el espacio y el tiempo, rotaciones, reflexiones, entre otras menos intuitivas. La paridad es una reflexión del espacio, como la reflexión especular, pero se efectúa en cada una de  las tres dimensiones. Si se hace dos veces, vuelves al sistema de coordenadas original

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Transformación de Paridad, x’=-x, y’=-y, z’=-z. Si la paridad es una simetría de la naturaleza, las leyes de la física deben ser las mismas antes y después de hacer la transformación de coordenadas.

 

En el caso de las reacciones beta, especialmente enigmático era el decaimiento de unos compuestos de quarks, llamadas Kaones, que tienen la misma masa y carga pero procesos de decaimiento distintos: diferentes tiempos y productos, y, además, parecían violar la simetría de Paridad. Esto representaba un rompecabezas interesante, pues las reacciones electromagnéticas y fuertes preservan la paridad. En 1956, los físicos teóricos Tsung-Dao Lee and Chen-Ning Yang, inspirados por el problema de los Kaones, contactaron a Madame Wu, para que diseñara un experimento con el fin de determinar si las interacciones débiles preservan o no la simetría de paridad.

El experimento de Wu

Madame Wu sugirió un método que requería de los equipos especiales de la Oficina Nacional de Estándares de EEUU (NBS) en Washington DC y contactó a Ernest Ambler, del laboratorio de bajas temperaturas. Éste, conociendo las extraordinarias habilidades instrumentales de Wu, aceptó y puso su experiencia, personal y equipos a su disposición.

La transformación de paridad afecta a algunas cantidades físicas, como el momentum lineal (el producto de la velocidad por la masa); es decir, afecta su dirección de propagación. Otras propiedades no son afectadas –se dice que son invariantes–, como el espín1.

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Wu, en su experimento, logró polarizar los núcleos de Cobalto 60 y estableció un sistema de referencia. Si la naturaleza preserva la paridad, se espera que los electrones salgan emitidos en igual proporción tanto en la dirección de la polarización del núcleo como en la opuesta. El resultado del experimento mostró que los electrones tomaron la dirección opuesta en marcada desproporción, exhibiendo violación de la Paridad.

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Madame Wu en el laboratorio de la NBS

Después de largas jornadas de experimentos, bajo fuertes nevadas y después de renunciar a sus vacaciones de navidad y año nuevo, finalmente, en 1957, Madame Wu estaba lista para publicar sus resultados. El artículo tendría como coautores a Ambler, Raymond Hayward, Dale Hoppes and Ralph Hudson de NBS2. Resultado que cambió nuestra visión del Universo para siempre.

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Varios años después, se determinó que los Kaones no solo violan la paridad sino que tampoco son invariantes bajo conjugación de carga, transformación que intercambia partículas por antipartículas. En 2012, los científicos del  experimento BaBar de SLAC mostraron mediciones directas de procesos de decaimiento que violan la simetría de “Inversión Temporal”, que es una reflexión en la coordenada tiempo ( t’=-t).  Hasta ahora todas las observaciones indican que sólo podemos hablar con firmeza de la combinación de las tres transformaciones aplicadas a la vez: Conjugación de Carga, Paridad y Reflexión en el Tiempo, o CPT, como simetría de la naturaleza.

Un genio reconocido a medias

El trabajo preciso de Madame Wu y su descubrimiento experimental catapultaron a la fama a Lee y Yang quienes recibieron el premio Nobel de Física en 1957 por sus estudios sobre violación de la Paridad en la naturaleza. Aun cuando el Premio Nobel puede ser otorgado hasta a 3 personas, y Madame Wu fue nominada al menos 7 veces al Premio Nobel, nunca fue reconocida.

A pesar de eso, Wu siempre gozó de la admiración de la comunidad científica, muchos reconocimientos le fueron otorgados. Fue una científica muy productiva. Además de sus artículos técnicos, publicó varios libros. Durante las décadas de los 60s y 70s trabajó en física nuclear aplicada a la biología, área en la que también hizo aportes relevantes.

Siempre franca y honesta, no dejó de hacer sentir su disgusto por las injusticias y desigualdades. En 1964, durante un simposio en el Instituto Tecnológico de Massachusetts, dijo: “Yo me pregunto, si los átomos, los núcleos, los símbolos matemáticos o las moléculas de ADN, tienen alguna preferencia de ser trabajados de manera femenina o masculina” En 1989, protestó la represión en China que siguió a la masacre de la plaza Tiananmen.

Chien-Shiung Wu, no escapó al problema de la brecha en salario por género. No fue sino hasta 1975 que el jefe del departamento de la Universidad de Columbia, decidió que ella merecía un salario igual al de sus colegas hombres, ofreciéndole el merecido aumento. Finalmente, en 1981 se retiró de la academia. En 1997, la Dama de las reacciones débiles, murió de una apoplejía, legando al mundo una cantidad invaluable de conocimiento científico.

 

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MadameWu, 1958. Crédito: Instituto Smithsonian

 

Referencias bobliográficas

  • CERN courier, Inside Story: C S Wu – First Lady of physics research, 27 de Noviembre de 2012.
  • Tsai-Chien Chiang, Madame Chien­ Shiung Wu: The First Lady of Physics Research, translated by Tang-Fong Wong, World Scientific , 2012.
  • Richard L. Garwin and Tsung‐Dao Lee, Physics Today, Obituaries: Chien-Shiung Wu, 50(10), 120 (1997); doi: 10.1063/1.2806727.

     

  1. El espín es una propiedad intrínseca de las partículas subatómicas que indica si cumplen o no con el principio de exclusión de Pauli []
  2. C. S. Wu, et al., “Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay“, Physical Review, Vol. 105, pp 1413, 1957 []
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CC BY-NC 4.0 This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

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