Takaaki Kajita
Takaaki Kajita (梶田 隆章, né le 9 mars 1959 à Higashimatsuyama, préfecture de Saitama) est un physicien japonais. Il démontra en 1998 que les neutrinos se transforment les uns dans les autres au cours de leur trajet — et donc qu'ils possèdent une masse. Il reçut pour cela en 2015, conjointement avec Arthur B. McDonald, le prix Nobel de physique.
Parcours
Kajita étudia à l'université de Saitama et passa, pour son doctorat, à l'université de Tokyo, où il acheva sa thèse en 1986 auprès de Masatoshi Koshiba. Il appartint ainsi dès le début à ce groupe de travail qui exploitait, dans une mine de zinc près de Kamioka, l'un des détecteurs les plus insolites du monde.
Depuis 1988, il travaille à l'Institute for Cosmic Ray Research de l'université de Tokyo, dont il a pris la direction en 2008.
L'énigme qui l'attendait
Le détecteur Kamiokande avait été construit à l'origine pour une tout autre question : on voulait voir si les protons se désintègrent. La désintégration du proton ne se produisit pas — et ne s'est toujours pas produite. En revanche, autre chose frappa les participants.
Les neutrinos atmosphériques naissent lorsque le rayonnement cosmique rencontre l'enveloppe d'air. De la chaîne de désintégration des pions alors engendrés découle une attente claire : pour un neutrino électronique, il devrait y avoir deux neutrinos muoniques. Ce rapport ne dépend guère de l'intensité qu'a justement le rayonnement cosmique — il n'est donc pas nécessaire de connaître précisément la source pour disposer d'une prédiction nette.
Or Kamiokande mesurait nettement trop peu de neutrinos muoniques. Le constat était sur la table depuis le milieu des années 1980 et s'appelait anomalie des neutrinos atmosphériques. Il ne fut pas pris au sérieux dans un premier temps. La supposition la plus évidente était que le détecteur ne distinguait pas assez proprement les espèces de particules.
Le tour de main : la Terre comme étalon
La contribution de Kajita fut de poser la question autrement. Au lieu de demander combien de neutrinos muoniques manquent, il demanda de quelle direction ils manquent.
L'idée sous-jacente est d'une grande simplicité. Un détecteur situé profondément sous terre reçoit des neutrinos de toutes les directions — mais ceux-ci ont derrière eux des trajets tout à fait différents. Ce qui vient d'en haut est né à environ 15 kilomètres au-dessus du détecteur. Ce qui vient d'en bas est né de l'autre côté de la planète et a parcouru quelque 13 000 kilomètres.
Une seule et même installation mesure ainsi simultanément une distance très courte et une distance très longue. Et comme l'oscillation des neutrinos dépend de la longueur du trajet, l'effet doit se manifester comme une dépendance à l'angle d'incidence — s'il existe.
Une erreur du détecteur ne se serait pas comportée ainsi. Elle aurait agi de la même manière en haut et en bas.
La décision de 1998
Il fallut un détecteur plus grand pour obtenir la réponse. Super-Kamiokande entra en service en 1996 : 50 000 tonnes d'eau très pure, entourées de plus de onze mille photomultiplicateurs, à 1 000 mètres sous le mont Ikeno.
Après deux ans de temps de mesure, le résultat était là. D'en haut arrivait le nombre attendu de neutrinos muoniques. D'en bas arrivait environ la moitié. Les neutrinos électroniques ne présentaient pas un tel déficit — ils arrivaient des deux directions conformément au calcul.
Les neutrinos muoniques n'avaient donc pas disparu sur le long trajet à travers la Terre. Ils s'étaient transformés, principalement en neutrinos tauiques, que le détecteur ne voyait pas.
Kajita présenta le constat en juin 1998 lors de la conférence Neutrino 98 à Takayama, au Japon. Des témoins rapportent que la salle applaudit plusieurs minutes après l'exposé — chose inhabituelle pour un congrès scientifique.
Pourquoi cela pesait si lourd
La mise en évidence de l'oscillation a une conséquence qui va bien au-delà de la physique des neutrinos. Seul ce qui a une masse peut osciller — et il faut des masses différentes pour les différentes espèces.
Le modèle standard de la physique des particules avait pendant des décennies tenu les neutrinos pour dépourvus de masse. C'était la théorie la plus performante de la physique, confirmée par des centaines de mesures. Le résultat de Kajita montra qu'elle est incomplète sur ce point.
C'est à ce jour le seul constat de laboratoire assuré qui pointe au-delà du modèle standard. D'où viennent les masses des neutrinos reste ouvert ; le mécanisme de bascule est la tentative d'explication la plus connue.
Ensuite
Kajita est resté fidèle à la recherche fondamentale, mais a changé de domaine. Il dirige la construction de KAGRA, un détecteur japonais d'ondes gravitationnelles, situé lui aussi sous terre à Kamioka — dans les mêmes montagnes où l'on mesure les neutrinos.
De 2020 à 2023, il a été président du Conseil scientifique du Japon. Dans ce rôle, il s'est exprimé à plusieurs reprises sur la liberté de la recherche et sur la responsabilité des scientifiques envers la société.
Termes apparentés
- Super-Kamiokande — le détecteur
- Neutrinos atmosphériques — la source
- Oscillation des neutrinos — le processus
- Masatoshi Koshiba — son maître
- Arthur B. McDonald — son colauréat
Sources
- Collaboration Super-Kamiokande (Y. Fukuda et al.) : Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos, Physical Review Letters 81, 1562 (1998).
- Fondation Nobel : prix Nobel de physique 2015, motivation et conférence Nobel de Takaaki Kajita.