Prix Nobel de physique 2015

Le 6 octobre 2015, l'Académie royale des sciences de Suède a annoncé que le prix Nobel de physique allait à parts égales à Takaaki Kajita et Arthur B. McDonald — « pour la découverte des oscillations de neutrinos, qui montre que les neutrinos possèdent une masse ».

C'est l'une de ces distinctions dont l'exposé des motifs raconte à lui seul déjà toute l'histoire : deux équipes sur deux continents avaient montré la même chose indépendamment l'une de l'autre, et ce qu'elles montraient corrigeait un manuel.

Les deux expériences

Super-Kamiokande se trouve à mille mètres de profondeur dans une mine de zinc près de Hida, au Japon : une cuve de 50 000 tonnes d'eau ultrapure, tapissée de plus de 11 000 photomultiplicateurs. Ceux-ci enregistrent les faibles éclairs lumineux qui naissent lorsqu'un neutrino interagit malgré tout, exceptionnellement, avec un noyau atomique. En 1998, l'équipe de Kajita a comparé les neutrinos venus d'en haut à ceux qui avaient traversé toute la Terre. Ceux venus de loin manquaient — et exactement comme le prédit l'oscillation.

Le Sudbury Neutrino Observatory travaillait à 2 100 mètres sous terre dans une mine de nickel de l'Ontario. Son artifice était le remplissage : de l'eau lourde, empruntée aux réserves des réacteurs canadiens. L'équipe de McDonald pouvait ainsi mesurer deux choses à la fois — les neutrinos électroniques seuls et les trois sortes ensemble. Le résultat de 2001 était sans équivoque : les neutrinos électroniques venus du Soleil manquaient, le nombre total était parfaitement conforme. Les manquants n'avaient pas disparu, ils s'étaient transformés.

Pourquoi la découverte pesait si lourd

Le modèle standard de la physique des particules donnait les neutrinos pour dépourvus de masse. Il avait passé avec succès, pendant des décennies, pratiquement chaque prédiction. L'oscillation n'est toutefois possible que si les neutrinos ont une masse — le modèle devait donc être élargi.

Cette découverte compte ainsi parmi les rares des dernières décennies qui n'ont pas confirmé une prédiction, mais mis au jour une lacune. Elle reste aujourd'hui l'un des plus importants panneaux indicateurs vers une physique au-delà du modèle standard.

L'importance pour la neutrinovoltaïque

Pour toute technologie qui veut tirer de l'énergie du flux de neutrinos, 2015 est l'année de fondation. Une particule sans masse se déplace à la vitesse de la lumière et ne peut être freinée ; une particule dotée d'une masse porte une impulsion et peut céder de l'impulsion. C'est seulement par là que la question d'une conversion devient une question physique.

Le groupe Neutrino® Energy Group présente pour cette raison le prix de 2015 comme le premier de trois ancrages de son travail. Les deux autres sont la mesure de la diffusion cohérente par COHERENT en 2017 et la mise en évidence d'un courant issu des vibrations du graphène par Thibado en 2020.

Les lauréats

Takaaki Kajita, né en 1959 à Higashimatsuyama, était au moment de la distinction directeur de l'Institute for Cosmic Ray Research de l'université de Tokyo.

Arthur Bruce McDonald, né en 1943 à Sydney, en Nouvelle-Écosse, était professeur émérite à la Queen's University de Kingston, en Ontario, et de longue date responsable de la collaboration SNO.

Tous deux ont souligné dans leurs conférences Nobel le travail des collaborations — à Super-Kamiokande comme à SNO, plusieurs centaines de chercheuses et de chercheurs participaient à chaque fois.

Termes associés

• Oscillation des neutrinos — le phénomène récompensé
• Diffusion élastique cohérente neutrino-noyau — le deuxième ancrage, mesuré en 2017
• Graphène — le matériau du troisième ancrage
• Neutrinovoltaïque — l'approche qui s'appuie sur ces trois résultats

Sources

• Académie royale des sciences de Suède : communiqué de presse sur le prix Nobel de physique 2015, 6 octobre 2015, et Scientific Background: Neutrino Oscillations.
• Y. Fukuda et al. (Super-Kamiokande) : Physical Review Letters 81, 1562 (1998).
• Q. R. Ahmad et al. (SNO) : Physical Review Letters 89, 011301 (2002).