Arthur B. McDonald

Arthur Bruce McDonald (né le 29 août 1943 à Sydney, Nouvelle-Écosse) est un physicien canadien. Il dirigea le Sudbury Neutrino Observatory, qui trancha en 2001 et 2002 la question de savoir où disparaissent les neutrinos solaires manquants. Il reçut en 2015, conjointement avec Takaaki Kajita, le prix Nobel de physique.

Parcours

McDonald grandit sur l'île du Cap-Breton et étudia à la Dalhousie University de Halifax. En 1969, il soutint sa thèse au California Institute of Technology. Après des années au centre canadien de recherche nucléaire de Chalk River et un poste de professeur à Princeton, il revint au Canada en 1989, à la Queen's University de Kingston, en Ontario.

La même année, il prit la direction du projet qui devait le faire connaître.

Le problème resté ouvert trente ans

Depuis que Raymond Davis présenta à partir de 1968 des résultats de l'expérience Homestake, un chiffre était sur la table que personne ne savait expliquer : seul un tiers environ des neutrinos solaires calculés par John Bahcall arrivait.

Il y avait deux explications à ce problème des neutrinos solaires. Ou bien le modèle solaire était faux — et alors les astrophysiciens auraient négligé quelque chose de fondamental. Ou bien les neutrinos se modifiaient en chemin — et alors ce seraient les physiciens des particules qui auraient négligé quelque chose.

Aucune expérience ne pouvait distinguer entre les deux. En effet, tous les détecteurs existants ne répondaient qu'aux neutrinos électroniques, c'est-à-dire à l'espèce que produit le Soleil. Si les particules se transformaient en chemin en une autre espèce, les détecteurs voyaient la même chose que dans le cas d'un Soleil plus faible : moins d'événements. La cause restait cachée.

L'idée : l'eau lourde

L'installation de McDonald résolut cela par un tour de main qui reposait sur une particularité canadienne. Le Canada exploite des centrales nucléaires de type CANDU, qui fonctionnent à l'eau lourde. Il fut possible d'en emprunter 1 000 tonnes — d'une valeur de plusieurs centaines de millions de dollars.

L'eau lourde contient du deutérium, et le deutérium réagit de deux manières différentes avec les neutrinos :

Par le courant chargé. Seuls les neutrinos électroniques peuvent scinder le deutéron en deux protons et un électron. Cette réaction compte donc combien de neutrinos ont conservé leur espèce d'origine.

Par le courant neutre. Chaque espèce de neutrino peut décomposer le deutéron en un proton et un neutron. Cette réaction compte tous les neutrinos, quelle que soit leur espèce.

La comparaison des deux nombres répond immédiatement à la question — et ce sans même qu'il faille recourir au modèle solaire. C'est précisément là que réside l'élégance du dispositif.

Le résultat

Le détecteur se trouvait à deux kilomètres de profondeur dans la mine de nickel Creighton près de Sudbury, en Ontario. La construction dura neuf ans.

Les mesures donnèrent ceci : par le courant chargé arrivait environ un tiers du taux attendu — exactement le déficit qu'avait trouvé Davis. Par le courant neutre arrivait le taux complet.

Les deux choses étaient ainsi montrées à la fois. Le Soleil émet exactement autant de neutrinos que Bahcall l'avait calculé. Et en chemin, les deux tiers d'entre eux se transforment en d'autres espèces.

Le problème des neutrinos solaires était résolu après plus de trois décennies — non par une erreur dans le calcul, mais par une propriété des particules que personne n'avait présupposée.

Pourquoi les deux lauréats étaient nécessaires

Kajita avait montré, avec les neutrinos atmosphériques, que les neutrinos muoniques disparaissent. McDonald montra, avec les neutrinos solaires, que les neutrinos électroniques se transforment et en quoi.

Ce n'est qu'ensemble que les deux constats donnent une image cohérente : les neutrinos passent les uns dans les autres, donc ils possèdent une masse. Le modèle standard doit être élargi sur ce point.

La Fondation Nobel salua en 2015 précisément ce lien.

Ensuite

McDonald est émérite, mais toujours actif. De l'observatoire de Sudbury est né le laboratoire souterrain SNOLAB, qui cherche aujourd'hui la matière noire et étudie avec SNO+ la double désintégration bêta sans neutrinos.

Il est Compagnon de l'Ordre du Canada, la plus haute distinction civile du pays.

Termes apparentés

• Sudbury Neutrino Observatory — l'installation
• Problème des neutrinos solaires — la question résolue
• Takaaki Kajita — son colauréat
• John Bahcall — celui dont le calcul fut confirmé

Sources

• Collaboration SNO (Q. R. Ahmad et al.) : Direct Evidence for Neutrino Flavor Transformation from Neutral-Current Interactions in the Sudbury Neutrino Observatory, Physical Review Letters 89, 011301 (2002).
• Fondation Nobel : prix Nobel de physique 2015, motivation et conférence Nobel d'Arthur B. McDonald.