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Le neutrino et l'énigme Majorana

Physicien italien de premier plan, Ettore Majorana a disparu mystérieusement à l’âge de 31 ans. Il nous a laissé une théorie toujours d’actualité : certaines particules, les neutrinos, pourraient être leurs propres anti-particules. Pour tenter d’observer cette propriété, le détecteur NEMO a été construit dans le tunnel de Fréjus. Le « neutrino de Majorana » s’y montrera-t-il?

Le détecteur NEMO3Vue globale du détecteur NEMO3 situé dans le Laboratoire Souterrain de Modane, sous le tunnel de Fréjus (Savoie). Ce dispositif cherche à observer un type de désintégration de la matière qui validerait la théorie d'Ettore Majorana sur les neutrinos.
© IN2P3/CNRS-CEA/Collaboration NEMO

Ettore Majorana est né à Catane, en Sicile, le 5 août 1906. Après des études classiques, il obtient son baccalauréat en 1923 et entame des études d'ingénieur à l'Université de Rome. Un de ses condisciples, Emilio Segré (futur grand physicien et professeur à l'Université de Berkeley, aux Etats-Unis) le convainc, à l'automne 1927, de suivre son exemple et de rejoindre Enrico Fermi, alors âgé de 26 ans, nommé depuis peu professeur extraordinaire à la chaire de physique théorique de l'Université de Rome (Faculté de physique, via Panisperna).

Ettore Majorana entre ainsi dans le groupe des « garçons de la via Panisperna ». Le groupe travaille dans une ambiance décontractée sous l'autorité d'Enrico Fermi, dérisoirement surnommé « Le Pape ». Ettore Majorana est quant à lui le « Grand Inquisiteur », en raison de la rigueur de son esprit critique et de l’acuité de sa pensée.

A l’époque, le jeune scientifique est le seul, selon Emilio Segré, à pouvoir parler d'égal à égal avec Enrico Fermi, futur prix Nobel de physique. Toutefois, Ettore Majorana ne s'intègre pas totalement, il reste secret, marquant toujours sa différence. Mais il ne tarde pas à impressionner son entourage par la vivacité de son esprit, la pénétration de sa compréhension et l'étendue de son savoir, qui le rendent largement supérieur à ses nouveaux compagnons.

Ses travaux sont tous de haute volée : ils révèlent une maîtrise sans faille des données expérimentales disponibles et une « aisance peu commune, surtout à cette époque » (selon son confrère Edoardo Amaldi) dans l'exploitation des concepts théoriques en mécanique quantique et le choix des meilleures approximations, qualités s'ajoutant à ses exceptionnels dons de calcul.

Avant le prix Nobel de physique Werner Heisenberg, il élabore une théorie du noyau constitué de protons et de neutrons. Mais il refuse de la publier et interdit même à Enrico Fermi d'en faire état lors d'un congrès de physique à Paris. Quand Werner Heisenberg publiera sa propre théorie, Ettore Majorana, loin d'en éprouver de l'amertume, concevra au contraire une grande admiration pour le physicien allemand.

01.Un étrange génie

Portrait d’Ettore MajoranaPortrait de jeunesse du physicien sicilien Ettore Majorana, disparu mystérieusement à 31 ans. En 1937 ,il a publié la « théorie symétrique de l’électron et du positron » qui porte sur le « neutrino de Majorana ».
© Université of California, Santa Barbara
Ettore Majorana était un personnage doté d’un caractère énigmatique. Il a laissé le souvenir d'une personne ultrasensible, introvertie, mais profondément bienveillante. Il répugnait à parler, communiquer ou s'exposer et ne publiait ses travaux que sur des instances suffisamment persuasives. « Ettore Majorana avait un caractère étrange ; il était excessivement timide et renfermé » (Laura Fermi).

Sur les sollicitations d’Enrico Fermi, il se rend à Leipzig en janvier 1933 pour y rencontrer le physicien renommé Werner Heisenberg. Il « bavarde » (c'est le mot qu'il emploie dans ses lettres) avec le savant, mais uniquement avec lui. Ce dernier, au cours d'un séminaire, fait allusion aux travaux du jeune Italien sur les forces nucléaires et l'invite à prononcer quelques mots. Mais Ettore Majorana refuse de prendre la parole. Ce qui n'empêche pas les relations avec le physicien allemand d'être excellentes. Ettore Majorana se laisse ainsi convaincre de publier ses travaux dans la revue « Zeitschrift für Physik ».

Au retour d'Allemagne commence une période difficile, marquée par la recherche de solitude. Pendant quatre ans (1933-1937), il sort rarement de chez lui et se montre peu à l'Institut de physique, jusqu'à cesser d'y paraître. En 1937 est publiée la « théorie symétrique de l'électron et du positron » qui porte sur le fameux « neutrino de Majorana » (Il peut s'agir de travaux réalisés avant le séjour en Allemagne).

Après quelques péripéties, Ettore Majorana se trouve nommé à la chaire de physique théorique de l'Université de Naples « pour mérites exceptionnels », en novembre 1937. À Naples, comme à Rome, il mène une vie extrêmement retirée. Dans une période de dépression, le soir du 26 mars 1938, alors qu’il venait d’arriver, le matin même, à Palerme, par le paquebot poste, il rembarque pour un trajet de retour vers Naples. Depuis cette date, plus de trace du physicien : Ettore Majorana a disparu à 31 ans !

Le physicien s’est-il suicidé ? S’est-il retiré à la campagne ou dans un couvent ? Est-il possible de déterminer les raisons d'un tel geste ? Sa disparition reste un mystère et nourrit les polémiques. Les témoins proches (à l'exception de la famille et surtout de la mère) admettent l'hypothèse de la dépression. C'est la plus probable. Cependant, l'époque est particulière : fascisme en Italie, nazisme en Allemagne. Nous sommes à la veille de la seconde guerre mondiale. Certains ont soulevé la question de savoir s’il n'avait pas entrevu les futures applications militaires de la physique nucléaire et préféré « disparaître ». Même si la conjecture n'est pas très vraisemblable, elle a le mérite de nous remettre en mémoire la situation des scientifiques de l'époque, les problèmes de conscience qu'ils eurent à résoudre, les différentes solutions qu'ils leur ont apportées : Enrico Fermi a émigré aux États-Unis en 1938; Werner Heisenberg, lui, est resté en Allemagne.

02.La théorie du « neutrino de Majorana »

Un des  secteurs de  NEMO 3Vue de quelques uns des 20 secteurs de NEMO3 au Laboratoire souterrain de Modane, situé sous le tunnel de Fréjus (Savoie).
© CNRS/IN2P3
Au début des années 30, le physicien et mathématicien britannique Paul Dirac propose une hypothèse selon laquelle à chaque particule correspond une antiparticule. Par exemple à l’électron est associé l’anti-électron, appelé positron. L’antiparticule possède des caractéristiques opposées à la particule associée : l’électron transporte une charge électrique négative, le positron est doté de la même charge mais positive. Cette prédiction, purement théorique, fut rapidement confirmée en 1932 quand l’Américain Carl Anderson découvrit, dans une chambre à brouillard, des positrons dont la trajectoire, dans un champ magnétique, avait une courbure opposée à celle des électrons. Toutes les particules élémentaires ont une antiparticule.

On appelle donc « particule de Dirac » une particule de matière qui est différente de son antiparticule. C’est par exemple le cas de toutes les particules chargées. Ce n’est pas forcément le cas des particules de charge nulle telles que les neutrinos : il est a priori possible que les particules neutres soient leur propre antiparticule. C’est cette dernière hypothèse qu’a proposée Ettore Majorana, vers 1932-33, quand il élabore la « théorie symétrique de l’électron et du positron », pour laquelle il est célèbre.

Les neutrinos suivent-ils la théorie du scientifique italien (neutrinos et anti-neutrinos sont une même particule) ou celle du britannique (elles sont différentes) ? Une réponse en faveur du premier fournirait une précieuse indication sur la masse du neutrino et expliquerait pourquoi celle-ci est si petite comparée aux autres particules. Plus globalement, elle contribuerait de façon cruciale à une meilleure compréhension de la matière.

Cette question est actuellement l’objet de recherches expérimentales. Pour tenter de trancher, les physiciens ont dû bâtir un détecteur baptisé NEMO (« Neutrino Ettore Majorana Observatory », Observatoire du Neutrino d’Ettore Majorana), situé dans le tunnel de Fréjus (Var). Ce détecteur cherche à observer un nouveau type de désintégration de la matière appelé « double désintégration bêta sans émission de neutrino». Si on réussissait à détecter ce ce rayonnement , alors le neutrino serait une particule identique à son anti-particule, comme le soutenait Ettore Majorana

03.Le détecteur NEMO-3

La chambre à fils du détecteur NEMO3Tissage des 2000 fils de l’un des 20 secteurs de la chambre à fils du détecteur NEMO3, destiné à l’étude de la "double désintégration bêta sans émission de neutrino" .
© CNRS/IN2P3
Le détecteur NEMO-3 (le chiffre 3 indique qu’il s’agit de la troisième version, chacune étant plus imposante et plus performante que la précédente) a commencé à enregistrer ses premières données en 2003, après plus de 10 ans de recherche, de développement et de construction. Disposé au Laboratoire Souterrain de Modane (LSM) dans les Alpes (tunnel de Fréjus) sous 1700 mètres de roche, il a pu voir le jour grâce à une collaboration internationale. La France y est représentée par le Centre d’études nucléaires de Bordeaux Draguignan (CENBG), le Laboratoire de physique corpusculaire de Caen, l’Institut de recherches subatomiques de Strasbourg, ainsi que le Laboratoire de l’accélérateur linéaire d’Orsay (LAL) et le Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement de Gif-sur-Yvette (LSCE), tous deux en Essonne.

A quoi ressemble NEMO-3 ? C’est une grande chambre à fils de trois mètres de haut et de six mètres de diamètre. Elle est divisée en vingt modules (ou secteurs) qu'on assemble pour constituer un cylindre. Au centre de chaque secteur sont tendues, verticalement, des feuilles métalliques constituées d’un métal (source) susceptible d'être émetteur d'une double désintégration bêta. Ces feuilles sont très minces (60 microns environ) de façon à ce que les électrons qu'elles produisent ne perdent que peu d’énergie à l’intérieur. De part et d’autre de ces feuilles sont tendus verticalement 40000 fils métalliques qui occupent la chambre remplie à 95% d'hélium gazeux.

L'électron produit par la source (le matériau métallique) rentre dans la chambre à fils. Quand il traverse ce milieu, il entre en collision avec les noyaux d'hélium. L'électron perd de l'énergie, qu'il cède à l'hélium, et arrache à son tour des électrons à l'hélium. Ceux ci vont se propager le long des fils. Grâce à l’information recueillie sur les fils, on peut reconstruire la trajectoire de l’électron en trois dimensions.

La chambre est entourée de blocs de plastique scintillant. Lorsqu’un électron termine sa trajectoire dans un de ces blocs, il y dépose toute son énergie et provoque une émission de lumière par scintillation. L’intensité de cette lumière est proportionnelle à l’énergie de l’électron. Toutefois, cette lumière a une très faible intensité ; infiniment plus faible que celle qui peut être observée par nos yeux. Elle est donc détectée par un photomultiplicateur qui la transforme en signal électrique. Ce dispositif, constitué d’un bloc de scintillateur plastique couplé à un photomultiplicateur, permet de mesurer l’énergie des électrons avec une précision d’environ dix pour cent.

Grâce à la reconstruction de la trajectoire et à la mesure des temps d’arrivée des particules, le détecteur doit être capable de reconnaître un événement correspondant à une double désintégration bêta et de le distinguer du bruit de fond. Nemo enregistre environ sept événements par seconde, soit 200 millions d’événements par an. Mais la double désintégration bêta sans émission de neutrino est d'une extrême rareté. Le défi est donc de trouver deux ou trois signaux de ce type parmi les 200 millions d'évènements que Nemo enregistre chaque année. La tâche est rude. Mais c'est la seule façon de savoir si neutrino et anti-neutrino ne font qu'un !

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