Daniel Z. Freedman

Daniel Z. Freedman (né en 1939) est un physicien théoricien américain. C'est de lui que vient la prédiction de la diffusion élastique cohérente neutrino-noyau — cet effet qui rend aujourd'hui possibles des détecteurs de neutrinos de la taille d'une valise.

Il est en outre connu comme cofondateur de la supergravité, une branche tout à fait différente de la physique théorique.

La prédiction de 1974

Freedman publia en 1974 un travail qui tirait une conséquence immédiate de la théorie de l'interaction faible, confirmée peu auparavant.

Gargamelle avait mis en évidence en 1973 les courants neutres : des processus au cours desquels un neutrino interagit par le boson Z sans changer d'identité.

Freedman se demanda ce qui se passe lorsqu'un neutrino de basse énergie rencontre un noyau atomique entier. Sa réponse : à énergie suffisamment faible, le neutrino ne peut plus distinguer les différents nucléons. Il ne diffuse alors pas sur un proton ou un neutron, mais sur le noyau dans son ensemble — et les contributions des différents neutrons ne s'additionnent pas simplement, elles se renforcent de façon cohérente.

Le gain quadratique

La conséquence est remarquable : la section efficace croît comme le carré du nombre de neutrons.

Pour un noyau lourd comme le césium, avec ses 78 neutrons, cela représente un facteur d'environ six mille par rapport à la diffusion sur un nucléon isolé.

Pour une particule dont le principal problème est de n'interagir presque jamais, un facteur six mille est un bouleversement. C'est la raison pour laquelle un détecteur de quelques kilogrammes suffit là où il faudrait sinon des milliers de tonnes.

Pourquoi cela prit 43 ans

Freedman lui-même tenait la mise en évidence pour difficile, et il eut raison.

L'obstacle réside dans le recul. Le noyau absorbe certes de l'énergie, mais très peu — il se déplace de fractions de kilo-électronvolt. Distinguer un tel signal des perturbations dépassait de loin la technique de mesure de son époque.

Ce n'est qu'en 2017 que la collaboration COHERENT réussit la première mise en évidence, auprès d'une source de spallation à Oak Ridge. Entre la prédiction et la confirmation, il s'écoula 43 ans — comparables aux 26 ans qui séparèrent la proposition de Pauli de la première mise en évidence du neutrino.

Ce qui en est advenu

L'effet n'est plus aujourd'hui une curiosité, mais un outil.

Il permet des détecteurs portables tels que ceux dont on discute pour la surveillance des réacteurs nucléaires. Il est le canal par lequel on pourrait envisager une communication par neutrinos avec des récepteurs plus petits. Et il est en même temps une limite pour la recherche de matière noire : à partir d'une certaine sensibilité, de tels détecteurs voient inévitablement des neutrinos solaires.

En 2025, l'expérience CONUS+ a mis l'effet en évidence pour la première fois aussi sur des antineutrinos de réacteur — à des énergies nettement plus basses que dans le cas de COHERENT.

La seconde carrière

Le travail le plus connu de Freedman se situe dans un domaine tout à fait différent. En 1976, il développa avec Sergio Ferrara et Peter van Nieuwenhuizen la supergravité — une théorie qui relie la supersymétrie à la théorie de la gravitation d'Einstein.

Pour ce travail, les trois hommes reçurent en 2019 le Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics.

Qu'une seule et même personne ait apporté une prédiction de la physique des neutrinos et une pierre de fondation de la gravitation quantique est inhabituel, même en physique théorique.

Termes apparentés

Sources

  • D. Z. Freedman : Coherent effects of a weak neutral current, Physical Review D 9, 1389 (1974).
  • Collaboration COHERENT : Observation of Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering, Science 357, 1123 (2017).