Après avoir passé une grande partie de sa carrière à 2 kilomètres sous terre, Art McDonald est sous les feux de la rampe cet automne à titre de colauréat du prix Nobel de physique 2015 pour ses travaux sur les oscillations du neutrino réalisés dans le laboratoire souterrain SNOLAB, près de Sudbury.

Cet honneur a été rapidement suivi de l’obtention du Prix du progrès scientifique (Breakthrough Prize) en physique fondamentale, remis à l’équipe de M. McDonald et à 4 autres groupes de recherche sur les neutrinos dans le monde.

Pour l’humble professeur émérite de l’Université Queen’s et membre du conseil d’administration de l’Institut Périmètre, ces prix ont été l’occasion de souligner le travail d’équipe qui a rendu possible cette grande avancée scientifique.

« C’est un immense honneur pour moi ainsi que pour mes collaborateurs, canadiens et étrangers, à l’expérience SNO, a déclaré M. McDonald. Nous sommes très heureux d’avoir pu contribuer d’une manière fondamentale à l’essor des connaissances scientifiques. » [traduction]

La découverte du fait qu’un neutrino peut passer de l’un à l’autre de 3 types — de neutrino électronique à neutrino muonique, à neutrino tauique, puis de nouveau à neutrino électronique — a été une véritable réussite scientifique. Comme bien d’autres grandes percées scientifiques, elle a résolu une anomalie connue depuis longtemps et ouvert la voie à de nouvelles connaissances.

Des experts de la fusion solaire avaient calculé combien de neutrinos émis par le Soleil devraient atteindre la Terre, mais les expérimentateurs ne trouvaient qu’un tiers du nombre prévu. C’est ce que l’on appelait le problème (ou l’anomalie) des neutrinos solaires. Soit les physiciens ne comprenaient pas le fonctionnement du Soleil, soit ils ne comprenaient pas les neutrinos.

Pour les physiciens nucléaires et corpusculaires comme Art McDonald, le fait qu’il manquait exactement les deux tiers des neutrinos était un indice. On savait qu’il y avait 3 types de neutrinos, mais les détecteurs de neutrinos ne pouvaient en voir qu’un seul : les neutrinos électroniques (le type de neutrinos émis par le Soleil). Et si, en route vers la Terre, les neutrinos électroniques du Soleil pouvaient devenir des neutrinos muoniques ou tauiques? Ces neutrinos muoniques et tauiques ne seraient pas détectés, et on aurait l’impression qu’il manque les deux tiers des neutrinos solaires.

L’hypothèse était intéressante, mais elle se heurtait à 2 grandes difficultés. Premièrement, l’idée que les neutrinos puissent changer de type supposait qu’ils aient une masse. (En gros, ils peuvent changer de type à cause de l’incertitude quantique, et leur masse est la source de cette incertitude.) Mais le modèle standard de la physique des particules, qui depuis plus de 20 ans expliquait tous les résultats expérimentaux et résistait à toutes les remises en question, exigeait que les neutrinos n’aient aucune masse. L’idée que le modèle standard puisse être erroné était radicale.

Deuxièmement, la perspective de mesurer les 3 types de neutrinos était intimidante. Mesurer des neutrinos était déjà difficile, mais détecter ceux qui n’interagissent que par des manifestations muoniques et tauiques rares et fugaces semblait pratiquement impossible.

L’expérience permettant de trouver les neutrinos manquants allait être ambitieuse et difficile — mais elle semblait possible. Et elle a eu lieu au Canada, dans ce qui allait s’appeler le SNO (Sudbury Neutrino Observatory – Observatoire de neutrinos de Sudbury). Art McDonald a été un chef de file des discussions préliminaires concernant le SNO et en a été nommé directeur en 1991.

Pourquoi au Canada? Énergie atomique du Canada avait en stock plus d’une tonne d’eau lourde, et l’utilisation d’eau lourde allait permettre aux expérimentateurs de mesurer les 3 types de neutrinos. De plus, la mine Creighton de Sudbury, l’une des plus profondes au monde, convenait à cette expérience : en faisant les mesures à 2 kilomètres sous terre, on éliminerait en grande partie le rugissement du rayonnement de fond, ce qui permettrait d’entendre les imperceptibles murmures des signaux des neutrinos.

Il a fallu près de 10 ans pour mettre sur pied l’expérience et la faire fonctionner, mais elle a fonctionné. Le SNO a annoncé en 2001 la découverte d’oscillations du neutrino. Cette seule découverte — les neutrinos peuvent changer de type, et ont donc une masse — a modifié notre compréhension du fonctionnement le plus intime de la matière.

Comme l’a écrit le comité Nobel, « on s’attend à ce que ces nouvelles découvertes sur les secrets les plus intimes des neutrinos changent notre compréhension actuelle de l’histoire, de la structure et du destin à venir de l’univers » [traduction].

Peu après l’annonce du prix Nobel, l’Institut Périmètre a organisé une réception en l’honneur d’Art McDonald. Celui-ci a alors comparé l’atmosphère de passion et de collaboration de l’Institut Périmètre à celle de SNOLAB.

« Du point de vue de l’ingénierie, ce que nous avons tenté de faire à SNOLAB était assez difficile, a déclaré M. McDonald. Mais d’un point de vue intellectuel, ce que vous faites ici est énorme, et vous le faites très bien. » [traduction]

– Erin Bow et Colin Hunter

LE SYSTÈME A FONCTIONNÉ, PUIS POUF!

Étudiant diplômé à l’Université de Princeton au début des années 1980, Robert Myers avait besoin de se salir les mains. Il aspirait à faire des recherches théoriques sur la gravitation quantique, mais l’université insistait pour qu’il acquière une expérience pratique de laboratoire avant de commencer ses études de doctorat. Par conséquent, sur les conseils d’un ami, Rob Myers a cogné nerveusement à la porte d’Art McDonald.

Il se trouve que les 2 hommes avaient passé des années non loin l’un de l’autre : M. Myers a grandi à Deep River, dans le Nord de l’Ontario, près des laboratoires de Chalk River, centre de recherches nucléaires où travaillaient des centaines de scientifiques — dont M. McDonald pendant 12 ans avant qu’il ne devienne professeur à Princeton.

Rob Myers avait besoin d’acquérir de l’expérience en laboratoire. Art McDonald avait amené de Chalk River à Princeton une source d’électrons polarisés, et il avait besoin d’aide pour la faire fonctionner dans le sous-sol du bâtiment Jadwin de l’Université de Princeton. « Il m’a fait visiter le laboratoire, se rappelle M. Myers, m’a décrit le projet et m’a dit de me mettre au travail. » [traduction] Rob Myers s’est mis au travail, reliant les modules d’alimentation et les compteurs, tout en étant bien conscient de la date limite qui approchait pour se qualifier pour des études de doctorat.

Un jour, Art McDonald a rejoint Rob Myers dans le laboratoire et a commencé à faire des mesures de la polarisation d’électrons. Le système a merveilleusement fonctionné… pendant un certain temps. Puis tout à coup, pouf! Un arc électrique a éteint le montage et fait sauter les fusibles d’éclairage, laissant MM. Myers et McDonald dans l’obscurité. « Eh bien », a dit dans le noir à son protégé un M. McDonald amusé, « je crois que votre travail ici est terminé. » [traduction]

Art McDonald a poursuivi sa carrière et a fini par remporter un prix Nobel pour ses travaux de physique expérimentale. Rob Myers a été admis au programme de doctorat, demeurant en physique théorique, et est devenu plus tard l’un des professeurs fondateurs de l’Institut Périmètre. Mais il a toujours été reconnaissant envers le mentor qui lui a permis de bricoler dans le laboratoire. « Ma première pensée, dit M. Myers, lorsqu’Art a remporté le prix Nobel a été : ‘Cela n’aurait pas pu arriver à un plus chic type.’ » [traduction]