Sensationnelle révélation dans le petit monde de la physique des particules

Il est rare qu’un congrès de respectables physiciens débouche sur une énorme révélation propre à secouer le monde de la physique fondamentale (j’exagère à peine).

Cependant, dans sa livraison de septembre-octobre 2014, la revue scientifique italienne Il Nuovo Cimento publie les actes d’un colloque en mémoire de  Bruno Pontecorvo. Bruno Pontecorvo est un physicien « atomiste » du XXe siècle, communiste, passé à l’est en août 1950 par peur d’être arrêté après l’arrestation spectaculaire de l’espion Klaus Fuchs. 

Bruno Pontecorvo Bruno Pontecorvo

Il est soupçonné d’avoir livré des secrets atomiques aux Russes, sans qu’aucune preuve formelle n’existe (à condition évidemment de ne pas considérer sa fuite organisée, en passant par l’Italie, la Suède et la Finlande comme une sorte de preuve).

Frank Close Frank Close
A l’occasion du colloque Pontecorvo (centenaire de sa naissance), le physicien Frank Close exhume une note d’un document technique secret rédigé en 1945 par Bruno Pontecorvo (1), alors enrôlé dans les recherches atomiques Canadiennes à Chalk River. Le Canada, en effet, participait à l’effort industriel de guerre par la mise au point d’une pile atomique devant fournir par fission nucléaire le Plutonium, éventuellement utilisable pour la bombe atomique destinée à écraser les forces de l’Axe (cette pile atomique finira par fournir effectivement dans les années 50 et 60 du plutonium militaire aux Américains).

Centre Nucléaire de Chalk River en 1945 Centre Nucléaire de Chalk River en 1945

Cette note du document P.D.141 de Chalk River, d’une extrême sobriété, attribue au physico-chimiste français Jules Guéron la paternité d’une des meilleures idées de la physique du XXe siècle : l’utilisation d’un solvant (de nettoyage à sec) pour la détection des neutrinos, C2Cl4 ou perchloréthylène (ou « perchlo »). Cette révélation modifie toute la perspective historique sur l’une des aventures scientifiques les plus difficiles de l’histoire de l’humanité.

Pour bien comprendre le choc que cause cette révélation, il faut refaire l’histoire du neutrino. A la fin des années 30, les physiciens découvrent que des réactions nouvelles appelées « nucléaires », permettent de jouer avec le noyau atomique, de le briser et d’en récupérer l’énergie de cohésion, voire même de le transmuter. Ces tansformations de neutrons en protons et vice-versa révèlent l’existence d’une nouvelle force, dite interaction faible, d’une importance considérable à l’intérieur des noyaux atomiques. Le neutrino est la pièce du puzzle qui permet d’expliquer la conservation de  l’énergie au moment des réactions nucléaires « faibles ». Il n’a pas de charge, très peu de masse, mais il emporte l’énergie cinétique superflue au moment de la réaction. Cependant, l’interaction faible est très faible et à très courte portée. C’est d’ailleurs pourquoi les nucléons (protons, neutrons) tiennent bien ensemble dans les noyaux (interaction forte) : ils ne sont pas très sensibles à la force faible. Et c’est d’ailleurs une raison marginale pour laquelle les produits chimiques sont stables : les réactions nucléaires faibles ne jouent aucun rôle à l’échelle des molécules. Le neutrino, donc, n’a pas de charge, il n’a presque pas de masse, et n’interagit pratiquement avec rien, ou si faiblement (c’est le cas de le dire).

Mais si faiblement, ce n’est pas rien, et il serait donc possible de détecter les neutrinos, à condition d’en avoir beaucoup, et de les faire interagir avec une quantité immense de matière. Si l’interaction d’un neutrino est faible avec la matière, en présence d’une grande quantité de matière il y aura quand même quelques interactions, un neutrino passant par hasard suffisamment près d’un neutron, pour que l’interaction faible ait lieu et qu’il se transmute en un proton et un électron. Avec un peu d’espoir on pourra détecter cette transmutation.

Dans un document daté de la guerre, mais publié en 1946, dénommé rapport PD 205, Bruno Pontecorvo propose d’utiliser comme matière cible une grande masse de Chlore (Cl), disponible pour pas cher sous forme de solvant C2Cl4. Le but dans ce cas est de détecter la réaction 

n+νe=>p+e

ou

ν + 37Cl → 37Ar + e-

Réaction aujourd’hui appelée la réaction de Davis-Pontecorvo

S’agissant d’un neutron présent dans le chlore, cette réaction produit un atome ayant un proton de plus que le chlore (transmutation). L’atome passe donc d’une colonne à la suivante dans le tableau de Mendeleiev.

Dans le tableau de Mendeleiev, l’élément suivant le chlore est l’Argon. Avec l’isotope 37, du Chlore, l’élément produit sera donc l’Argon 37, qui est un isotope instable d’Argon, dont la demi-vie est d’un mois environ.

En partant d’un grand réservoir de C2Cl4 (le premier contenait 3900 litres de C2Cl4), et en comptant l’Argon dedans (en faisant circuler tout le volume par un petit tube où l’Argon est dégazé, puis la désintégration de l’Argon est détéctée par l’émission d’électrons Auger), on en déduit le flux de neutrinos. Avec un dispositif de ce genre, on peut détecter les neutrinos produits par une pile atomique, ou bien par exemple, les neutrinos provenant du soleil (dans lequel des réactions nucléaires faibles ont lieu, qui produisent les éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium par fusion nucléaire).

L’expérience fut tentée par Ray Davis et John Bahcall dès les années cinquantes, d’abord à Brookhaven avec 3900 litres, puis dans une mine, avec 615 tonnes de C2Cl4 (pour isoler l’expérience des rayons cosmiques). L’expérience dura 25 ans (vous avez bien lu : vingt cinq ans), et détecta en tout et pour tout 2200 atomes d’Argon.

Ray Davis et le détecteur de la mine de Homestake Ray Davis et le détecteur de la mine de Homestake

Ray Davis utilisait comme source le Soleil, supposé émettre beaucoup de neutrinos, en raison des réactions de nucléosynthèse en son sein. Or si Davis mesurait bien quelques neutrinos par mois, c’était encore trois fois moins que ce qui était prédit par la théorie. Compte tenu de l’immense difficulté de la tâche, cette différence fut longtemps attribuée à une erreur dans l’expérience.

Mais des détecteurs toujours plus grands furent mis en œuvre donnant le même résultat. La particularité de ces expériences est leur gigantisme, inversement proportionnel à la faiblesse de l’interaction.  Les détecteurs actuels, comme celui de Sudbury

Détecteur de Sudbury Détecteur de Sudbury

ou comme Superkamiokande en donnent une idée.

Détecteur Superkamiokande Détecteur Superkamiokande

On en vint finalement à admettre l’existence d’un problème dit des « neutrinos solaires ». L’explication la plus sérieuse, mais aussi la plus révolutionnaire, était que les neutrinos émis par le soleil se changeaient en autre chose au cours de leur voyage entre le Soleil et la terre. En effet, au moment où Pauli fit l’hypothèse de l’existence du neutrino, ce dernier était nécessaire pour expliquer les réactions engageant les neutrons (d’où le nom) et le proton. Cependant, peu à peu on comprit qu’il existait d’autres particules, semblables à l’électron mais plus lourdes : le muon et le tau, associées à des familles de fermions, et que chacun de ces leptons (l’électron, le muon et le tau) avait son neutrino propre. On parle de 3 « saveurs » de leptons et de neutrinos. Pour résumer : les particules élémentaires nous sont fournies dans le grand schéma du Tout, en trois familles, associées à une charge électrique, une charge forte, une charge de saveur. Seule la première famille forme la matière ordinaire (les autres formes de matière se désintègrent rapidement).

Modèle Standard © Wikipedia Modèle Standard © Wikipedia

Les neutrinos interceptés par le chlore sont les neutrinos dits « électroniques » (associés à l’électron). Mais au cours de leur transit dans le cosmos, ces neutrinos s’agitent et se transforment en neutrinos associées aux autres saveurs (neutrino mu, neutrino tau). C’est pourquoi, on ne détectait avec l’expérience de Davis que le tiers des neutrinos prévus.

L’expérience de Davis, non contente de détecter les neutrinos, révélait en fait les « oscillations de neutrinos », depuis appelées oscillations de Pontecorvo, et qui plus profondément, révèlent la structure des familles de particules. Les quarks et bosons associés à ces différentes particules valurent également des prix nobels à la pelle (tiens, ça rime). Un point important de ces expériences est que les oscillations ne sont permises théoriquement que si les neutrinos ont une masse, l’expérience de Davis et Bahcall prouve donc aussi que les neutrinos sont massifs.

Aujourd’hui, d’immenses détecteurs, fonctionnant au Gallium, ou tout simplement avec de l’eau, prolongent les expériences  de Davis et Bahcall,  et complètent extraordinairement la physique des neutrinos. Un épisode fameux de cette physique fut la détection des neutrinos émis lors de la supernova 1984A. Par un miracle absolument miraculeux, le détecteur de Kamioka était en fonctionnement au moment exact de l’explosion de 1984A, et une bouffée de neutrinos arriva sur terre et fut détectée, confirmant certains modèles d’explosions stellaires. Un épisode moins glorieux fut la fausse détection récente de neutrinos volant plus vite que la lumière, mais passons.

Pour résumer, l’expérience de transmutation du Chlore en Argon dans une grosse cuve de solvant (C2Cl4) est une des expériences les plus difficiles, et les plus fécondes du XXe siècle. Cette idée lumineuse a été attribuée avec constance à Bruno Pontecorvo, le « grand physicien » communiste, passé à l’est avec femme et enfants en 1950 et vivant depuis une vie recluse dans le centre de recherches soviétique de Dubna, d’où il émettait à intervalle régulier des idées scientifiques monumentales. On ne sut jamais si Pontecorvo était un véritable espion, ou un communiste ayant fui l’occident par pur idéalisme. Il était peut-être encore plus grand espion que physicien, puisqu’il n’a pas laissé de preuves de sa possible trahison (trahison donc parfaite ?). L’expérience de Davis sur le solvant C2Cl4 a inspiré un roman policier de la Série Noire (Vincent Meyer, La Hotte, Gallimard, Série Noire 2000), qui, à plusieurs titres, est révélateur de la capacité de dissimulation des chercheurs. (Il faut comprendre que les chercheurs passent leur vie sur un panier scientifique très étroit, occupé par de nombreux crustacés, et où ils passent leur temps à en dire « juste assez » : aux rapporteurs, aux collègues, aux adversaires).

Tous les articles scientifiques, y compris les articles originaux de Davis, et a fortiori les notices nécrologiques de Davis, décédé en 2006 ou bien celles de Pontecorvo, attribuent à Pontecorvo cette idée, l’une des deux ou trois meilleures qu’il ait eues. Par exemple, dans son article de 1964, Bahcall crédite Pontecorvo de l’idée d’utiliser C2Cl4 et la transmutation du chlore en Argon.

Dans l’oraison funèbre (Editorial) de Davis publiée par Nature en 2006, c’est encore le rapport P.D. 205 de Chalk River qui est cité, et l’idée d’utiliser le C2Cl4 est encore attribuée à Pontecorvo.

 © Revue Nature © Revue Nature

Or, l’article publié en 1946 par Pontecorvo reprend un document secret, la note P.D. 205 du centre de recherches atomique de Chalk River, qui est elle-même une ampliation du rapport  technique P.D. 141. Et dans le rapport technique P.D.141 figure cette note de la main de Bruno Pontecorvo : « d’après Jules Guéron le meilleur composé pour la détection par irradiation des neutrinos devrait être C2Cl4». D’où il se déduit qu’on visera la transmutation en Argon (l’isotope abondant étant le 37, on produira de l’Argon 37). Dans le texte du rapport P.D. 141, Pontecorvo pensait encore utiliser la transmutation de l’isotope 35 du Chlore en Soufre. Pire encore, le document P.D. 141 attribue l’idée d’utiliser le soleil comme source de neutrinos (plutôt qu’un réacteur nucléaire)  au physicien anglais Maurice Pryce.

Honneur donc, à Jules Guéron (1907-1990). Physico-chimiste français ayant dès 1940 rejoint les forces alliées à Londres. Chimiste de pointe, spécialiste déjà de réactions nucléaires, il est envoyé par de Gaulle au Québec pour participer à l’effort de guerre, en aidant d’abord les Anglais (Cambridge), puis les Canadiens, à construire la pile atomique de Chalk River (2). Il fréquentait là-bas d’autres physiciens français ayant joué après la guerre un rôle primordial dans la physique atomique française, comme Pierre Auger. Il côtoyait également Bruno Pontecorvo qui habitait l’appartement au-dessous du sien. Bruno Pontecorvo emmenait même les enfants Guéron (Henri et Maurice) au cirque (3).

Pontecorvo est second à partir de la gauche, Guéron 4e et Auger le plus à droite.

A la fin de la guerre, Guéron fut un des initiateurs du CEA. Puis, la France prenant la décision de mettre au point à son tour l’arme atomique, Jules Guéron fut le premier directeur du Centre d'Etudes Nucléaires de Saclay.

Cette révélation restitue à Jules Guéron la paternité d’une grande idée, qui a participé sur une durée dépassant la vie d'un homme, au vaste projet humain, incarné par la quête des constituants ultimes de la matière.

C’est un fait courant que les chercheurs s’échangent ou se font cadeau, de bonnes idées, parfois à l’occasion d’un rapport de referee anonyme, parfois simplement à la salle café, ou devant un tableau. Mais, le plus souvent, la bonne idée est finalement attribuée à celui qui a reçu le cadeau, et a pu finalement publier un article significatif sur le sujet. Dans notre métier, « Tu devrais essayer ça » est la phrase la plus généreuse qu’on puisse entendre. La tradition veut qu’on remercie dans la rubrique « Acknowledgements » celui qui vous a donné la bonne idée.

Dans le cas de Pontecorvo, il est difficile de comprendre pourquoi le nom de Guéron a été effacé des tablettes. Sans doute le nom de Guéron figurait-il naturellement dans la note du document technique, qui ne présentait aucun enjeu de notoriété, les chercheurs étant soudés par l'objectif commun (la guerre). Quand la paix fut revenue, Pontecorvo publia un article dans lequel le nom de Guéron ne figurait plus. D’une part, la publication d’un article engageait le rayonnement personnel de Pontecorvo, et d’autre part, Pontecorvo avait suffisamment développé l’idée, fait les calculs correspondants etc., pour que la contribution de Guéron se fût éloignée, sans doute même dans son esprit, le lien avec la suggestion originale s’était-il distendu. Et c’est ainsi que la note mentionnant le nom de Jules Guéron disparut du texte final. Consciemment ou inconsciemment, le cerveau fait toujours ce qu’il faut, pour écarter l’autre, le gêneur qui  vous a donné une bonne idée. Chacun d’entre nous en a fait l’expérience, dans les deux sens. 

Aujourd’hui Frank Close restitue à Jules Guéron la paternité d’une grande idée, restée enterrée dans les documents techniques des centres atomiques secrets de la guerre de 40. Cependant, tels les trois secrets de Fatima, il se murmure à l’oreille des historiens des sciences que les archives Jules Guéron contiennent deux autres secrets, qui ont changé la face du monde.

(1)Frank Close Bruno Pontecorvo a life of two halves, Il Nuovo Cimento, Vol 37C, N. 5 Settembre-Ottobre 2014. Colloquia The Legacy of Bruno Pontecorvo.

(2)Premier réacteur Canadien, le réacteur de Chalk River connut plusieurs accidents graves. Le centre nucléaire de Chalk River emploie aujourd’hui 2000 personnes. Le réacteur qui s’y trouve fournit des radioisotopes pour l’imagerie médicale.

(3)Maurice Guéron, message personnel.

(4)Prix Nobel de physique 2002 attribué à Ray Davis : http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2002/advanced-physicsprize2002.pdf

 

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