Melvin Schwartz

Melvin Schwartz (2 novembre 1932 – 28 août 2006) était un physicien américain. C'est de lui que vient l'idée qui fit du neutrino un outil : construire un faisceau de neutrinos.

Pour cette idée et pour l'expérience qui en découla, il reçut en 1988, conjointement avec Leon Lederman et Jack Steinberger, le prix Nobel de physique.

L'idée de 1960

Jusque-là, on prenait les neutrinos là où on les trouvait — dans le Soleil ou dans les réacteurs nucléaires. Les deux sources livrent ce qu'elles livrent ; on ne peut choisir ni l'énergie ni la direction.

Schwartz, alors à la Columbia University, raisonna à l'inverse. Un accélérateur de particules produit des pions. Les pions se désintègrent et libèrent ce faisant des neutrinos. Si l'on place derrière la zone de désintégration un mur suffisamment épais, tout est arrêté — sauf les neutrinos. Ce qui passe au travers est un faisceau dirigé d'énergie connue.

L'idée lui vint, selon son propre récit, au cours d'une discussion sur la manière dont on pourrait étudier l'interaction faible à haute énergie. La réponse était : avec la seule particule qui n'interagit que faiblement.

Le neutrino n'était dès lors plus seulement un objet d'observation, mais un moyen d'investigation.

L'expérience de 1962

L'idée fut mise en œuvre à l'Alternating Gradient Synchrotron de Brookhaven.

Le blindage était constitué de 13,5 mètres d'acier. Le matériau provenait du blindage d'un cuirassé désarmé — une solution à la fois pratique et bon marché, car un tel acier est exempt de la légère radioactivité que l'acier moderne apporte avec lui depuis l'époque des armes nucléaires.

Une chambre à étincelles de dix tonnes servait de détecteur.

Après des mois de fonctionnement, 51 événements exploitables étaient disponibles. Ce qui fut décisif, c'est ce qui n'y figurait pas : toutes les particules produites étaient des muons, pas une seule n'était un électron.

S'il n'existait qu'une seule sorte de neutrinos, les deux auraient dû apparaître à peu près aussi souvent. Le constat prouvait donc que le neutrino qui naît en même temps qu'un muon est une autre particule que celui issu de la désintégration bêta.

Le neutrino muonique était découvert — et avec lui était fondée la notion de familles de particules dans le modèle standard.

Ce qui en est advenu

La méthode porte aujourd'hui encore toute la physique des neutrinos sur accélérateur. De MINOS à T2K et OPERA, jusqu'au futur DUNE, toutes les expériences sur faisceau travaillent selon ce schéma : des protons sur une cible, focaliser les pions, les laisser se désintégrer, blinder tout le reste.

La communication par neutrinos réussie en 2012 au Fermilab repose elle aussi sur un faisceau de ce type. Ce qui commença en 1960 comme une idée est aujourd'hui un équipement standard.

Le chemin inhabituel qui suivit

Schwartz partit en 1966 à la Stanford University. Au début des années 1970, il quitta la recherche et fonda Digital Pathways, une entreprise de sécurité des données.

Pour un futur lauréat du prix Nobel, c'était un pas remarquable. Il le justifia par l'attrait que la tâche exerçait sur lui — et dirigea l'entreprise près de vingt ans.

En 1991, il revint à la physique et devint directeur adjoint pour la physique des hautes énergies au Brookhaven National Laboratory, c'est-à-dire là même où son expérience avait eu lieu. Plus tard, il enseigna de nouveau à la Columbia University.

Mise en perspective

La contribution de Schwartz montre qu'une idée de méthode peut avoir plus d'effet qu'une découverte isolée. La question « Peut-on fabriquer des neutrinos à dessein ? » sonne modestement. Y répondre ouvrit un domaine de recherche qui croît aujourd'hui encore.

Termes apparentés

• Leon Lederman — son compagnon de lutte
• Jack Steinberger — le troisième du groupe
• T2K et DUNE — les expériences sur faisceau d'aujourd'hui
• Modèle standard — les trois familles de neutrinos

Sources

• G. Danby, J.-M. Gaillard, K. Goulianos, L. M. Lederman, N. Mistry, M. Schwartz, J. Steinberger : Observation of High-Energy Neutrino Reactions and the Existence of Two Kinds of Neutrinos, Physical Review Letters 9, 36 (1962).
• Fondation Nobel : prix Nobel de physique 1988.