Hans Bethe

Hans Albrecht Bethe (2 juillet 1906 – 6 mars 2005) était un physicien germano-américain. Il expliqua comment les étoiles produisent leur énergie et reçut pour cela en 1967 le prix Nobel de physique.

Pour la physique des neutrinos, il est important à deux titres : il décrivit les réactions qui engendrent les neutrinos solaires — et il calcula en 1934 à quel point il est improbable de voir un jour un neutrino.

Parcours

Bethe naquit à Strasbourg et soutint sa thèse en 1928 auprès d'Arnold Sommerfeld à Munich. En 1933, fils d'une mère juive, il perdit son poste à Tübingen et gagna en 1935, en passant par l'Angleterre, la Cornell University à Ithaca, dans l'État de New York, à laquelle il resta lié soixante-dix ans durant.

Pendant la Seconde Guerre mondiale, il dirigea la division théorique de Los Alamos. Après la guerre, il s'engagea pendant des décennies en faveur du contrôle des armements et fut l'un des défenseurs les plus efficaces du traité d'interdiction des essais de 1963.

« Non observable »

Peu après qu'Enrico Fermi eut présenté sa théorie de la désintégration bêta, Bethe et Rudolf Peierls calculèrent avec quelle intensité un neutrino interagirait avec la matière. Ils aboutirent à une section efficace de l'ordre de 10⁻⁴⁴ centimètres carrés.

Leur conclusion était sobre : il n'existerait aucune voie praticable pour observer le neutrino. Une particule ayant cette section traverse sans peine un bloc de plomb de plusieurs années-lumière d'épaisseur.

Le calcul était juste. La conclusion ne l'était pas — elle sous-estimait ce que l'on peut atteindre avec des sources très intenses et des détecteurs très grands. Frederick Reines et Clyde Cowan le démontrèrent en 1956, et le taux qu'ils mesurèrent concordait avec le chiffre de Bethe.

Bethe a commenté cela plus tard avec un plaisir visible. L'anecdote compte parmi les plus instructives de la physique : un calcul juste devient un énoncé faux dès que l'on en déduit les limites du faisable.

Comment brûlent les étoiles

En 1938 et 1939, Bethe présenta les travaux pour lesquels il reçut le prix Nobel. La question était ancienne : d'où le Soleil tire-t-il son énergie ? Une combustion chimique aurait suffi pour quelques milliers d'années, une contraction sous l'effet de sa propre gravité pour quelques millions — la géologie en exigeait des milliards.

Bethe décrivit deux voies par lesquelles les étoiles fusionnent l'hydrogène en hélium :

La chaîne proton-proton. La voie des étoiles plus légères comme notre Soleil. Quatre protons deviennent par étapes un noyau d'hélium ; il en naît des positrons et des neutrinos. La première étape exige qu'un proton se transforme en neutron — un processus de l'interaction faible, et pour cette raison si lent que le Soleil brûle pendant des milliards d'années au lieu d'exploser.

Le cycle CNO. La voie des étoiles plus lourdes. Le carbone, l'azote et l'oxygène agissent comme des catalyseurs qui ne sont eux-mêmes pas consommés.

La confirmation tardive

Les deux voies libèrent des neutrinos, et ce avec des énergies différentes. C'est précisément ce qui les rendit mesurables plus tard.

Les neutrinos pp furent mis en évidence par Borexino en 2014. Et en 2020, la même installation réussit la mise en évidence des neutrinos CNO — la deuxième voie de Bethe, 81 ans après son calcul et quinze ans après sa mort.

Peu de travaux théoriques ont dû attendre aussi longtemps leur confirmation directe.

Postérité

Bethe publia jusqu'à un âge avancé. Avec John Bahcall, il rédigea des travaux sur la question de savoir si les neutrinos solaires manquants indiquaient une physique des particules nouvelle. Tous deux tenaient la réponse pour oui — et eurent raison.

Il mourut en 2005 à l'âge de 98 ans, trois ans après que Raymond Davis eut reçu le prix Nobel pour la mesure de ces neutrinos dont Bethe avait calculé la naissance.

Termes associés

• Neutrinos solaires — le résultat de ses réactions
• Section efficace — son calcul de 1934
• Borexino — la confirmation tardive du cycle CNO
• John Bahcall — son compagnon de route pour le modèle solaire

Sources

• H. Bethe, R. Peierls : The Neutrino, Nature 133, 532 (1934).
• H. A. Bethe : Energy Production in Stars, Physical Review 55, 434 (1939).