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Blog et Podcast - Astronomie, Astrophysique, Astroparticules, Cosmologie. L'infini se contemple, indéfiniment. ISSN 2272-5768
Soixante Nanosecondes, mon premier roman, voit environ une quinzaine de nouveaux lecteurs par jours. Plus de 1500 d'entre vous ont déjà lu ce livre que j'ai écrit durant l'été 2013 sous le soleil d'Italie, et que je vous offre aujourd'hui gracieusement (pour zéro centime!, je suis comme ça).
Si vous faites partie de ceux qui ne connaissent pas encore les aventures de Cristina Voldoni, jeune chercheuse qui est confrontée à des neutrinos récalcitrants, ainsi que la vie tourmentée de Ettore Majorana, son illustre prédecesseur 75 ans plus tôt, pour vous donner l'envie de découvrir ces histoires entremêlées, je vous invite à lire ici les premières pages des chapitres 1, 2 et 3...
Vous retrouverez Soixante Nanosecondes en texte intégral et en de multiples formats ebook pour PC, tablettes ou liseuses, ainsi qu'en version audio, sur la page dédiée : Soixante Nanosecondes
Il ne cliqua pas sur envoyer. Daniel n’arrivait pas à se décider à annoncer à Luigi la mauvaise nouvelle. Le résultat de la mesure était si absurde, il voulait encore chercher. Ils ne faisaient que ça depuis plus d’un mois.
La première mesure de la vitesse de neutrinos sur une longue distance venait d'être effectuée et son résultat était aberrant. Ils avaient été détectés avec soixante nanosecondes d'avance sur ce qu'on pouvait logiquement attendre. Il devait y avoir un problème dans le processus de la manip. Il faut dire que cette mesure de vitesse relevait de l'usine à gaz. La collaboration scientifique SYMPHONIE qui étudiait les oscillations de ces particules élémentaires qu'on appelait des neutrinos, avait décidé, à la courte majorité de ces membres, d'ajouter une mesure de vitesse à ses actions expérimentales, même si cette donnée en soi n'apportait rien pour la problématique de l'oscillométrie des neutrinos.
Cela faisait cinq ans que Luigi Scuola était devenu le porte-parole puis le directeur scientifique de la collaboration internationale qui regroupait plusieurs dizaines de physiciens et physiciennes de neuf pays européens. Il avait besoin de publier un résultat sur cette mesure de vitesse avant que l'expérience américaine concurrente ne le fasse. Question de prestige.
Daniel Quintet, le responsable du groupe français qui avait proposé de faire cette mesure avec ce protocole quelque peu complexe, n'était pas fier de devoir annoncer à Luigi la nécessité de vérifier de nombreux paramètres, avec toutes les difficultés que cela imposait. Il faudrait peut-être refaire une demande de production de muons auprès du CERN, les délais étaient courts.
L'expérience SYMPHONIE était installée dans le laboratoire souterrain du Gran Sasso, une caverne enfouie sous la montagne bordant L'Aquila, dans les Abruzzes italiennes. C'était le laboratoire souterrain le plus en vogue en physique des particules, non seulement en Italie, mais aussi bien au-delà. Depuis la première découverte d'une oscillation des neutrinos, le fait qu'ils changent périodiquement de type au cours de leur trajet dans la matière, de nombreuses expériences s'étaient montées pour mieux comprendre les rouages physiques qui étaient à l’œuvre. Une toute nouvelle branche de la physique des particules était ainsi née quelques années plus tôt, prenant le nom d'oscillométrie des neutrinos. Il s'agissait de mesurer le plus précisément possible comment les neutrinos changent de saveur.
Les mesures d'oscillométrie qui étaient développées par l'expérience SYMPHONIE, un acronyme comme seuls les physiciens savaient en inventer, qui signifiait SYMetric PHOtoemulsion NeutrIno Experiment, reposaient sur la détection de neutrinos de type tau produits par un faisceau initial de neutrinos de type mu à 732 kilomètres de là, au CERN en Suisse. Certains neutrinos mu changeaient de type – on disait de saveur – au cours de leur trajet dans la croûte terrestre et pouvaient être détectés au laboratoire souterrain italien quelques millisecondes après avoir été produits au CERN.
Daniel Quintet n'avait même pas pris la peine de donner plus de détails à Luigi Scuola, tant le résultat lui semblait illogique. Pour lui, il était évident que quelque chose clochait quelque part dans la manip.
C'est le groupe d'Orsay mené par Daniel qui avait proposé aux autres groupes de la collaboration d'ajouter cette manip annexe dans la manip principale : mesurer la vitesse des neutrinos de manière absolue, c'est à dire mesurer le temps de vol très précisément ainsi que la distance exacte puis diviser l'un par l'autre pour obtenir une valeur de vitesse. Alors que c'était extrêmement séduisant et simple sur le papier, s'en était tout autre dans la réalité.
Cela faisait maintenant presque trois ans que la conception des sous-systèmes et du principe de GPS synchronisé avait été lancés. Et finalement, des deux mesures, c'était peut-être la mesure de distance entre le CERN et la caverne du Gran Sasso qui avait été la plus délicate à effectuer.
Les physiciens et physiciennes français avaient vu grand quand ils avaient proposé l'idée au staff de SYMPHONIE qu'ils venaient tout juste de rejoindre à l'été 2008 : il fallait utiliser des satellites de positionnement global – ce qu'on appelait le système GPS – pour retransmettre des informations à la fois spatiales et temporelles : la distance très précise entre deux points et un top de départ. Le top d'arrivée était obtenu, lui, au laboratoire souterrain par les détecteurs de neutrinos. Ils avaient demandé l'assistance de spécialistes du centre national d'études spatiales de Toulouse pour la mise en œuvre des systèmes spatiaux les plus à la pointe.
Les détecteurs de neutrinos de SYMPHONIE étaient fondés sur une technologie relativement simple, il s'agissait d'une série de plaques de plomb entrelacées avec des plaques d'émulsion photographique. Les neutrinos produisaient des réactions dans le plomb, des particules secondaires étaient alors créées et déposaient une partie de leur énergie dans les plaques d'émulsion, qui pouvaient être analysées rapidement.
C'est un jeune chercheur doctorant, Frédéric Fournier, alors en tout début de thèse à la fin de l'été 2008, qui donna l'idée à son directeur de thèse de mesurer quelle était la vitesse des neutrinos détectés par SYMPHONIE, simplement en mesurant la distance et le temps. Frédéric était un de ces jeunes chercheurs un peu imbus d'eux-mêmes, très fiers de faire partie de cette nomenklatura scientifique peuplant le campus d'Orsay. Il avait de plus ce don de réussir à imposer ses vues, uniquement par sa manière d'asséner des phrases comme si ce ne pouvait être que des vérités. Il montrait une assurance sans faille, qui pouvait être vu par certains comme de la suffisance.
Ce jour-là, il évoqua cette idée en blaguant autour de la machine à café. Il ne pensait pas vraiment pouvoir faire ce type de mesure. Il était plongé dans la bibliographie concernant son sujet de thèse, ce que font tous les chercheurs doctorants les trois premiers mois. Il potassait des dizaines de publications sur les détecteurs de particules à émulsion et les systèmes de lecture automatique de ce type de plaques. Il s'amusa à proposer non seulement l'idée de la mesure de vitesse, mais il imagina également tout le protocole expérimental qu’il faudrait mettre en œuvre pour y parvenir. Bernard Jeulin, son directeur de thèse, le prit d'emblée au sérieux, tout en étant un peu sceptique.
Quand il évoqua l'idée à son tour, autour d'un autre café, à son collègue et ami Daniel Quintet, ce dernier fut tout de suite convaincu. Il faut dire que la tâche dévolue au groupe d'Orsay au sein de la collaboration SYMPHONIE n'était parfois pas très excitante : ils participaient au groupe Détecteurs du consortium, il s'agissait de développer les systèmes de détection à base d'émulsions permettant d'enregistrer les traces de particules chargées. Une petite manip annexe un peu hors du cadre de l'expérience principale de détection des neutrinos tau ne pouvait que le réjouir, au moment où le travail du groupe, qui plus est, ne lui semblait pas être reconnu à sa juste valeur par les autres membres de la collaboration.
Daniel Quintet demanda rapidement à Frédéric Fournier de lui décrire comment il verrait les choses. Ce dernier fut surpris, mais comprit vite que Jeulin avait répété sa blague de la machine à café...
"Nom de Dieu, c'est l’électron positif de Dirac!"
C'est en ces termes que Werner Heisenberg réagit à la lecture du numéro 43 de la Physical Review de ce mois de mars 1933 qu'il venait de recevoir dans son casier de courrier de l'Université de Leipzig. L'article était signé d'un certain Carl David Anderson du California Institute of Technology et y était mentionné qu'il avait été envoyé fin février à la célèbre revue américaine. Ce Carl Anderson était un parfait inconnu, on n'avait jamais entendu ce nom dans la communauté de la physique subatomique naissante.
C'était exceptionnel, à peine cinq ans avaient suffi pour trouver cet électron positif que Paul Dirac avait prédit dans sa théorie de l'électrodynamique quantique. Werner Heisenberg, l'un des pères fondateurs de la mécanique quantique, était subjugué, Paul Dirac avait donc raison... Dès la fin de la lecture de l'article, qui n'interprétait pourtant pas du tout la découverte comme étant l'anti-électron de Dirac, mais simplement comme une nouvelle particule de masse comparable à celle de l'électron mais de charge opposée qu'Anderson nommait "positron", Heisenberg quitta son bureau le journal à la main et se dirigea trois portes plus loin dans le long couloir sombre de l'institut de physique.
Il entra sans frapper dans le bureau du jeune physicien théoricien italien qui était là en visiteur depuis seulement deux mois.
– Ettore, regardez cet article, c'est fantastique, c'est l'électron positif de Dirac ! Ils l'ont observé! Un américain! Sa conclusion est stupide, mais c'est bien un électron positif!
– Ah oui ?
– Dirac avait raison!
– Laissez-moi le journal, je vais regarder ça.
Heisenberg laissa son numéro de Physical Review à Ettore Majorana et retourna très vite dans un bureau adjacent pour colporter la nouvelle.
Ettore Majorana venait de passer deux mois incroyables à l'université de Leipzig auprès du maître de la physique moderne qu'était alors Werner Heisenberg. Il avait été en quelque sorte obligé d'accepter la proposition de son directeur, le grand Enrico Fermi, de faire un séjour de sept mois à Leipzig. Ettore Majorana était un jeune physicien particulier. Prodige serait un terme plus approprié. Il avait rejoint l'institut de Physique de Rome cinq ans auparavant à l'âge de 22 ans pour côtoyer les meilleurs physiciens théoriciens d'Italie rassemblés là par Fermi dans le but de former une équipe de choc. Et un choc, Ettore en avait produit un lors de son arrivée, lorsqu'il défia le plus simplement du monde le pape Fermi comme il était appelé par ses collègues. Il passa son diplôme de master avec Fermi  en 1928 puis sa thèse de doctorat seulement une année plus tard, sur la mécanique quantique des noyaux radioactifs.
Ettore comprenait tout très vite et parvenait à effectuer des calculs à une vitesse qui dépassait l'entendement de ses contemporains. L'équipe de Fermi le craignait peut-être plus qu'ils ne l'admiraient. Il n'était pas comme eux. Il ne passait que quelques heures par jours à l'institut, pour griffonner des équations dans la bibliothèque. Ettore ne semblait pas faire de la physique pour faire avancer la science mais plus pour lui-même. Il dédaignait publier des résultats. Il semblait chercher la vérité des lois fondamentales, peu lui importait de partager ses découvertes avec le monde. Il vivait dans son monde à lui, et ce depuis son enfance pas si lointaine.
Depuis son arrivée en Allemagne en janvier, en plein tumulte électoral, Ettore Majorana avait été pris sous l'aile protectrice de Werner Heisenberg, à qui Fermi avait relaté les exploits scientifiques du jeune génie. Heisenberg le couvait littéralement. Et Ettore, d'ordinaire si renfermé et asocial, s'était ouvert peut-être pour la première fois. Il avait commencé à discuter avec des collègues physiciens et même bataillé sur des concepts théoriques qu'il était l'un des seuls au monde à maîtriser parfaitement.
Ces deux premiers mois avaient été merveilleux pour Ettore, il avait de plus trouvé en Heisenberg, de cinq ans son aîné mais déjà professeur d'université, un alter ego scientifique à la clarté d'esprit hors du commun et aux redoutables capacités de calcul, tout comme lui. Heisenberg ne lui avait jamais posé trop de questions sur son parcours, sans doute Fermi lui en avait-il dit quelques mots. Tout de suite, il lui avait donné de gros problèmes théoriques à résoudre, comme peaufiner le modèle du noyau atomique que lui-même avait commencé. C'était un travail d'équipe, il devait réfléchir avec d'autres physiciens de talent qui étaient invités comme lui à Leipzig comme l'américain Feenberg ou le danois Léon Rosenfeld.
Ettore, contrairement à ses habitudes romaines, semblait prendre plaisir à côtoyer ses collègues pour partager ses travaux et confronter ses résultats de calcul. Il avait déjà de son côté élaboré tout un modèle du noyau atomique à Rome. Sa vision était légèrement différente de celle des allemands, quoique dans le même esprit. Il avait surtout pris en compte dès le début le neutron, cette particule découverte l'année précédente, comme un alter ego du proton, un véritable proton neutre comme certains l'appelaient encore. Mais Ettore était surtout devenu très familier de Werner Heisenberg, en qui il avait trouvé quelqu'un à qui parler d'abord de physique puis de nombreux autres sujets. La singularité de Majorana n'avait pas échappé à Heisenberg. Il respectait son attitude autistique, il la comprenait et savait que de là jaillissait le génie.
Lorsqu'il lut l'article d’Anderson intitulé "The positive electron", Ettore Majorana comprit bien qu'il s'agissait d'un électron positif qui ressemblait beaucoup à celui que Dirac prédisait dans sa théorie de 1928. Les nombreux clichés de chambre à brouillard qui étaient reproduits à la fin de l'article étaient éloquents à cet égard. Soit, l'électron positif existait bel et bien. Mais cet Anderson n'avait visiblement rien compris à l'implication de sa découverte.
Il avait fallu presque une année entière pour finaliser la conception de la manip une fois que cette dernière avait été acceptée par le consortium SYMPHONIE. A l'automne 2009, le temps semblait passer trop vite pour Frédéric Fournier qui entamait sa deuxième et avant dernière année de thèse. Il commençait sérieusement à se dire qu'il ne verrait peut-être pas la mesure en elle-même mais juste sa mise au point et les tests associés.
L'équipe d'Orsay s'étoffa par l'arrivée d'une jeune chercheuse en post doctorat, une sympathique brune italienne longiligne à la voix plus rauque que suave. Cristina Voldoni venait de soutenir sa thèse à l'Université de Milan sur la recherche d'une désintégration béta extrêmement rare, dans le but de démontrer la nature potentiellement très particulière des neutrinos : qu'ils seraient leur propre antiparticule. Sa manip s'appelait GERMA, un nom facilement trouvé pour une expérience qui utilisait de gros détecteurs en germanium. Elle était également installée au laboratoire souterrain du Gran Sasso. Cristina  avait le gros avantage de bien connaître à la fois la physique des neutrinos et le labo souterrain, en plus de connaître la langue de Pirandello. Daniel était fier de sa recrue.
Dès qu'elle arriva au LP2HE au début septembre 2009, Frédéric remarqua sa longue chevelure brune nouée d'une manière très élégante. Il savait que l'Italie, à l'opposé de la France, produisait de nombreuses physiciennes, et il était heureux de pouvoir parler de neutrinos avec quelqu'un de son âge mais du sexe opposé.
Cristina parlait un français tout à fait correct, avec tout de même un accent prononcé qui n'était pas sans charme. Lorsqu'elle fit le tour du labo le jour de son arrivée, Daniel lui avait présenté chaque membre du groupe en la présentant à chaque fois comme la nouvelle recrue tant attendue qui apporterait une nouvelle compétence expérimentale pour la mise en route de la manip. Elle s'était montré à la fois attentive et curieuse envers chacun, posant d'emblée des questions le plus souvent pertinentes à ses interlocuteurs. Elle semblait déjà tout connaître et avoir tout compris sur les systèmes, les méthodes et les enjeux.
La manip occupait maintenant environ une bonne vingtaine de chercheurs, ingénieurs et techniciens au sein du LP2HE mais aussi dans deux autres laboratoires de l'institut national de physique des hautes énergies à Grenoble et à Annecy, qui avaient rejoint la collaboration SYMPHONIE et avaient proposé leurs services pour renforcer le groupe d'Orsay, qui restait malgré tout largement majoritaire.
A l'arrivé de Cristina en septembre 2009, la conception des systèmes de mesure de temps et de distance étaient finalisée, c'est à dire que tout restait à faire. On savait quel type de matériel serait utilisé et comment, mais il fallait maintenant mettre la main à la pâte. Et, Bernard Jeulin comme Frédéric Fournier étaient très heureux à l'idée de pouvoir enfin toucher du concret. Les compétences expérimentales indéniables de Cristina étaient un atout dans cette phase du projet. La durée de son contrat postdoctoral était de trois ans, elle devait terminer un an après que Frédéric eut fini sa thèse. Ils avaient ainsi tous les deux un objectif commun : faire cette manip le plus vite possible. L'inconvénient était qu'ils devaient également tous les deux produire des publications en premier auteur, et ils devraient donc trouver un modus vivendi pour se partager les publications dans les deux années suivantes.
Cristina avait pour ainsi dire les neutrinos dans le sang. Elle baignait dedans depuis toute petite. Sa mère était ingénieure de recherche à l'INFN et travaillait encore sur des développements de photomultiplicateurs pour des détecteurs dédiés à la recherche sur les neutrinos. Le neutrino était un peu une particule italienne, et pas uniquement par son nom. A l'image de la radioactivité pour les français, le neutrino était une fierté nationale depuis les travaux des pionniers autour d’Enrico Fermi. La mère de Cristina avait été prise dans ce mouvement dans les années 70 et avait inculqué cette culture scientifique à sa fille unique.
Cristina Voldoni était une jeune scientifique rigoureuse. Le travail de recherche qu'elle avait mené sur la désintégration double beta sans neutrino était remarquable à plusieurs égards. C’était Luigi Scuola qui l'avait recommandée à Daniel. Cristina connaissait Luigi Scuola non seulement parce qu'il était un ponte des neutrinos en Italie mais aussi par les petites histoires que lui avait racontées sa directrice de thèse à Milan, qui avait elle-même eut Luigi comme directeur de thèse au début des années 1990.
Pour prétendre postuler à un poste permanent de chercheuse à l'INFN, Cristina devait acquérir une expérience d'au moins trois ans à l'étranger en plus de ses trois années de thèse. Elle avait ardemment souhaité travailler pour cette belle expérience qu'était SYMPHONIE, ce qui lui aurait permis à la fois de faire un postdoc à l'étranger, de poursuivre dans son domaine favori et d'être souvent dans son pays qu'elle aimait tant. Elle avait maintenant un peu ses habitudes à L'Aquila, la base du laboratoire souterrain national italien.
Quand sa directrice de thèse lui annonça que le groupe français du consortium proposait un postdoc et qu'elle pourrait appuyer sa candidature auprès du grand patron de l'expérience, le fameux Luigi Scuola, elle sauta littéralement de joie. C'était trois mois avant sa soutenance de thèse et elle n'avait encore rien de concret pour la suite. C'était inespéré. Étant assez démonstrative, elle avait sauté au cou de sa directrice de thèse qui n'en demandait pas tant.
Elle avait bien vu quelles étaient les compétences et les très grandes qualités de la jeune femme et ne souhaitait qu'une seule chose, qu'elle rejoigne dans quelques années l'institut de physique nucléaire pour poursuivre sa carrière pourquoi pas dans l'équipe de GERMA. Elle ferait en sorte de lui faciliter la tâche. Aller en France était la première étape.
Le premier contact avec Frédéric fut pour le moins étonnant.
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