Gargamelle
Gargamelle était une chambre à bulles du CERN qui a livré en 1973 l'un des résultats les plus importants de la physique des particules : la mise en évidence des courants neutres.
La théorie de l'interaction électrofaible est ainsi passée d'une conjecture élégante à une physique éprouvée — et la voie vers les bosons W et Z était libre.
Ce qu'est une chambre à bulles
Une chambre à bulles contient un liquide juste en dessous de son point d'ébullition. Lorsqu'une particule chargée la traverse, de minuscules bulles de vapeur se forment le long de sa trajectoire. Un flash et plusieurs caméras fixent la trace.
Le procédé a un avantage qu'aucun détecteur électronique de l'époque ne pouvait offrir : on voit l'événement. Chaque trace existe sous forme d'image, avec toutes ses ramifications, ses courbures et ses interruptions.
Et il a un inconvénient : chaque image devait être dépouillée par des êtres humains. Au CERN, des services entiers de dépouilleuses y travaillaient, examinant cliché après cliché.
La construction
Gargamelle a été construite en France et exploitée au CERN à partir de 1970. Le réservoir mesurait environ 4,8 mètres de long et un peu moins de deux mètres de diamètre et contenait environ 12 mètres cubes de fréon lourd.
Le choix du liquide était décisif. Le fréon est dense, et la densité signifie davantage de noyaux atomiques par volume — donc davantage d'occasions, pour un neutrino, d'interagir tout simplement. Chez une particule dotée d'une telle section efficace, chaque gramme compte.
Le nom vient du roman de Rabelais : Gargamelle est la géante qui met Gargantua au monde.
La question
La théorie électrofaible formulée en 1967 par Glashow, Salam et Weinberg prédisait quelque chose d'inhabituel.
On connaissait des processus dans lesquels un neutrino se transforme en un lepton chargé — les courants chargés. La théorie exigeait à côté d'eux des processus dans lesquels le neutrino reste neutrino et ne transmet que de l'énergie : les courants neutres.
Personne n'avait jamais observé de tels événements. S'ils n'existaient pas, la théorie aurait été réfutée — et avec elle la perspective d'une unification des forces faible et électromagnétique.
La mise en évidence
L'image recherchée est singulière. Un neutrino entre, invisible. Il frappe un nucléon, engendre une gerbe de hadrons — et repart, invisible lui aussi.
Sur le film, on voit donc un faisceau de traces qui naît du néant et auquel n'appartient aucun muon. Dans le cas d'un courant chargé, on verrait à la place une longue trace de muon continue.
Ce sont exactement de tels clichés que la collaboration a trouvés — une centaine d'événements sans muon contre quelques centaines avec muon. Le rapport correspondait à la prédiction.
La véritable difficulté
Le plus difficile n'était pas de trouver, mais d'exclure.
Des neutrons venus de l'environnement peuvent produire la même image : ils sont eux aussi neutres, eux aussi invisibles, et un choc engendre lui aussi une gerbe.
La collaboration a résolu cela par la distribution spatiale. Les neutrons viennent de l'extérieur et sont rapidement arrêtés dans le liquide — leurs événements devraient donc s'accumuler sur les bords. Les neutrinos traversent tout et produisent leurs événements uniformément dans l'ensemble du volume.
Les événements trouvés étaient uniformément répartis.
De plus, Franz Josef Hasert a trouvé un cliché isolé sur lequel un électron change de direction sans cause reconnaissable — la forme la plus pure que puisse prendre un courant neutre, celle où un neutrino diffuse sur un électron. Un seul événement, mais un événement sans aucune interprétation de rechange.
Les conséquences
En juillet 1973, le CERN a annoncé la mise en évidence. Le résultat a rendu la théorie électrofaible crédible, et Glashow, Salam et Weinberg ont reçu le prix Nobel en 1979 — avant que les bosons eux-mêmes ne soient trouvés. Leur mise en évidence a réussi en 1983, au CERN également.
Pour la physique des neutrinos, Gargamelle a une importance directe. La diffusion cohérente sur les noyaux atomiques, sur laquelle s'appuient les petits détecteurs d'aujourd'hui, est un processus par courant neutre. Et le Sudbury Neutrino Observatory a résolu le problème des neutrinos solaires en comparant courants chargés et courants neutres l'un à l'autre.
Sans le résultat de 1973, il n'y aurait ni la théorie correspondante ni l'attente que pareille chose se laisse mesurer.
Postérité
La chambre est devenue inutilisable en 1979 à cause d'une fissure. Elle se dresse aujourd'hui en plein air sur le site du CERN et fait partie des rares grands appareils de la physique des particules que l'on peut regarder de l'extérieur.
Termes associés
- Bosons W et Z — les porteurs de la force
- Interaction faible
- CEνNS — un courant neutre dans une application actuelle
- Sudbury Neutrino Observatory
Sources
- F. J. Hasert et al. (collaboration Gargamelle) : Observation of neutrino-like interactions without muon or electron in the Gargamelle neutrino experiment, Physics Letters B 46, 138 (1973).
- F. J. Hasert et al. : Search for elastic muon-neutrino electron scattering, Physics Letters B 46, 121 (1973).