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La révolution qui a secoué la physique des particules
Burton Richter '52, PhD '56, aime décrire sa découverte lauréate du prix Nobel avec une comptine :
Sam Ting avec son équipe au Laboratoire national de Brookhaven en 1974.
Hier, dans l'escalier, j'ai rencontré un homme qui n'était pas là. Il n'était plus là aujourd'hui. Je souhaite qu'il s'en aille.
C'était en 1974, deux ans seulement après que Richter et son équipe du Stanford Linear Accelerator Laboratory aient fini de construire un nouveau collisionneur de particules qu'ils ont appelé SPEAR. La machine de 6 millions de dollars a accéléré les électrons et les positrons à travers une boucle d'aimants de 80 mètres de diamètre et les a écrasés en une pluie de débris de particules à analyser. Richter ne cherchait pas une nouvelle particule, mais elle était là : un pic haut et étroit dans les données indiquant une particule lourde avec une durée de vie inhabituellement longue. Si longtemps, en fait - sept zeptosecondes, soit environ 7 000 billionièmes de seconde - qu'il a défié la compréhension des physiciens des particules fondamentales.
Au début, Richter et d'autres pensaient que quelque chose n'allait pas avec l'équipement, mais ils se sont vite rendu compte qu'ils avaient une découverte à faire. Personne ne s'attendait à ce que nous avons trouvé. Personne. Cela a été une surprise totale, dit Richter, qui s'est d'abord intéressé à la physique des particules après avoir travaillé dans le laboratoire synchrotron du MIT au cours de sa première année d'études supérieures.
Peut-être tout aussi surprenant, une équipe de l'autre côté du pays a simultanément trouvé la même chose. Au Brookhaven National Laboratory, le professeur du MIT, Sam Ting, menait une expérience qui était, d'une certaine manière, à l'opposé de celle de Richter. Au lieu d'annihiler les électrons et les positrons, le groupe de Ting frappait des protons dans une cible fixe de béryllium pour produire des particules lourdes qui se désintégreraient ensuite en électrons et en positrons. Par coïncidence, les deux groupes avaient réglé leurs accélérateurs sur la même plage d'énergie et étaient tombés sur le même pic inhabituel dans leurs données.
Ulrich Becker, professeur associé au MIT à l'époque, a joué un rôle central dans la découverte de Brookhaven. Maintenant professeur émérite, il a toujours dans son bureau le graphique original dessiné à la main, montrant ce pic inattendu. Becker dit que même si son groupe espérait trouver des particules lourdes, ils ont également été choqués d'en trouver une avec une durée de vie aussi longue. Nous n'avions aucune idée de pourquoi diable c'était, dit-il. Nous étions très méfiants à son égard, mais comme c'était si clair, il y avait très peu de place pour le doute.
En novembre de cette année-là, Ting s'est envolé pour Stanford pour une réunion administrative et a croisé la route de Richter.
Sam a dit : 'Burt, j'ai quelque chose d'excitant à te dire', se souvient Richter, et j'ai dit : 'Sam, j'ai quelque chose d'excitant à te dire'. vous .'
Lorsque les deux chercheurs ont réalisé que leurs équipes avaient fait la même découverte, ils ont organisé un séminaire de laboratoire et ont présenté leurs résultats ce jour-là. En l'espace d'un mois, les groupes ont publié des articles consécutifs dans Lettres d'examen physique . Le groupe de Ting a surnommé la nouvelle particule J, et le groupe de Richter l'a appelée Ψ (psi).
Ce qui était si surprenant à propos de la particule, c'est qu'elle a duré environ mille fois plus longtemps que ce que les physiciens auraient prédit à l'époque, ce qui signifie qu'il y avait quelque chose à ce sujet que les physiciens n'avaient jamais rencontré auparavant, du moins pas en laboratoire.
Environ 10 ans plus tôt, les théoriciens avaient introduit le concept de quarks, des particules fondamentales (et des antiparticules correspondantes) qui se lient pour former d'autres particules, comme les protons et les neutrons. En 1974, les expérimentateurs avaient trouvé des preuves de trois types de quarks : up, down et étrange. Mais un quatrième quark proposé, le charme, restait insaisissable.
Au début de 1975, Becker se rendit en Allemagne pour donner une conférence sur la nouvelle particule. Était présent Werner Heisenberg, le physicien théoricien célèbre pour ses travaux sur la mécanique quantique. À un moment donné, Heisenberg a interrompu Becker : il a dit : 'Chaque fois qu'ils ne savent pas ce que c'est, ils inventent un nouveau quark', se souvient Becker. J'étais vraiment bluffé. Je lui ai dit : 'Écoutez, professeur Heisenberg, je ne dis pas si c'est du charme ou pas du charme. Je te dis que c'est une particule qui ne part pas. Silence de mort. Il faisait très froid dans la chambre. Puis Heisenberg a dit: 'Accepté'.
Les physiciens ont rapidement convenu que la particule, appelée plus tard J/Ψ, se composait d'un quark charme et d'un quark anticharme.
Désormais appelée révolution de novembre, la découverte de J/Ψ a fait passer l'écurie des particules fondamentales d'une ménagerie désordonnée à quelque chose de structuré et de prévisible, décrit par ce que les physiciens ont appelé le modèle standard. Ting et Richter ont remporté le prix Nobel en 1976.
Ce que beaucoup de gens essaient de faire depuis, c'est de trouver ce qui va au-delà du modèle standard actuel, dit Richter. Jusqu'à présent, il est resté insensible à toutes les attaques.