Expérience Cowan-Reines

L'expérience Cowan-Reines a mis en évidence pour la première fois un neutrino en 1956 — 26 ans après que Wolfgang Pauli l'eut proposé tout en doutant lui-même qu'on pût jamais le trouver.

Les physiciens engagés dans l'entreprise l'ont appelée Project Poltergeist, du nom d'un esprit qui se fait remarquer sans être visible.

La première idée, écartée

Frederick Reines et Clyde Cowan travaillaient à Los Alamos. Leur première réflexion était aussi hardie qu'elle allait alors de soi : on voulait placer le détecteur dans un puits à côté d'une explosion nucléaire et mesurer en une fraction de seconde, pendant que passait l'immense éclair de neutrinos.

Le plan a été abandonné — non parce qu'il était irréalisable, mais parce qu'on en a trouvé un meilleur. Un réacteur nucléaire livre des antineutrinos en permanence, et la permanence autorise une chose décisive : on peut arrêter le réacteur et mesurer avec le même dispositif, sans signal.

Ce contrôle négatif a été au bout du compte l'argument le plus fort de l'expérience.

Le processus de détection

On a utilisé la désintégration bêta inverse : un antineutrino frappe un proton et en fait un neutron et un positon.

L'artifice tenait à ce que deux signaux naissent ainsi l'un après l'autre.

Le positon rencontre aussitôt un électron et s'annihile en rayonnement. Il en naît deux quanta gamma de 511 kiloélectronvolts chacun, qui s'envolent dans des directions opposées — le premier éclair.

Le neutron, lui, erre pendant quelques microsecondes jusqu'à ce qu'il soit capturé par un noyau de cadmium. Celui-ci restitue lui aussi l'énergie sous forme de rayonnement gamma — le second éclair.

Deux éclairs séparés par le bon intervalle de temps, avec les bonnes énergies, au bon endroit : cette signature ne pouvait guère être confondue. Elle s'appelle aujourd'hui coïncidence retardée et porte jusqu'à ce jour toute mesure auprès d'un réacteur, de KamLAND à JUNO.

Le dispositif

Après un premier essai non concluant auprès du réacteur de Hanford en 1953, les deux hommes se sont installés en 1956 auprès du réacteur de Savannah River, en Caroline du Sud — avec un meilleur blindage et un dispositif plus grand, à douze mètres sous terre.

Entre trois cuves de scintillateur se trouvaient deux récipients contenant chacun environ 200 litres d'eau dans laquelle du chlorure de cadmium était dissous. L'eau fournissait les protons, le cadmium capturait les neutrons. Plus de cent photomultiplicateurs regardaient dans chaque cuve de scintillateur.

Le rendement était d'environ trois événements par heure.

Les contrôles

Ce qui rendait l'expérience convaincante, ce n'étaient pas les trois événements, mais les vérifications faites à côté.

Arrêter. Réacteur à l'arrêt, le signal disparaissait.

Inverser l'ordre. Si l'on intervertissait l'ordre attendu des deux éclairs, il ne restait rien.

Retirer le cadmium. Sans le capteur de neutrons, le second signal manquait.

Chacun de ces essais aurait pu faire basculer le résultat. Aucun ne l'a fait.

Accessoirement, le taux mesuré a donné la première valeur expérimentale de la section efficace du neutrino — et elle concordait avec le calcul de Hans Bethe et de Rudolf Peierls, qui vingt ans plus tôt en avaient conclu qu'une détection était impossible.

Le télégramme

Le 14 juin 1956, Cowan et Reines ont envoyé un message à Zurich : on avait mis en évidence des neutrinos sans ambiguïté. Pauli aurait passé la soirée avec des amis et une caisse de champagne — qu'il avait, selon la tradition, pariée auparavant sur le fait qu'on n'y parviendrait jamais.

Postérité

Reines a reçu le prix Nobel en 1995. Cowan était mort en 1974 ; la distinction n'est pas décernée à titre posthume. Reines l'a nommé sa vie durant comme un partenaire à part entière, et dans la littérature spécialisée l'expérience porte jusqu'à aujourd'hui les deux noms.

Termes associés

• Frederick Reines et Clyde Cowan
• Antineutrino — ce qui naît auprès du réacteur
• Wolfgang Pauli — la proposition de 1930
• Scintillateur — la technique de détection

Sources

• C. L. Cowan, F. Reines, F. B. Harrison, H. W. Kruse, A. D. McGuire : Detection of the Free Neutrino: A Confirmation, Science 124, 103 (1956).
• F. Reines : The neutrino: from poltergeist to particle, conférence Nobel 1995.