Sommaire

La crise du spin et de l'énergie

L'intuition de Pauli

Wolfgang Pauli

Plongé dans le monde de la physique quantique, certains théoriciens vont jusqu'à remettre en cause la conservation de l'énergie, qui ne serait vérifiée que de façon statistique. En 1928, se pose un nouveau problème lié au spin entier du noyau d'azote 14 qui contiendrait 14 protons + 7 électrons soit un nombre impair de fermions.

Wolfgang Pauli ne peut se résoudre à abandonner la conservation de l'énergie. Il soumet par lettre en décembre 1930 une explication basée sur l'existence d'une particule neutre de spin 1/2 au sein du noyau, qu'il appelle neutron :

Je vous prie d'écouter avec beaucoup de bienveillance le messager de cette lettre. Il vous dira que pour pallier la "mauvaise" statistique des noyaux N et Li et le spectre beta continu, j'ai découvert un remède désespéré pour sauver les lois de conservation de l'énergie et les statistiques. Il s'agit de la possibilité d'existence dans les noyaux de particules neutres de spin 1/2, obéissant au principe d'exclusion, mais différentes des photons parce qu'elles ne se meuvent pas a la vitesse de la lumière, et que j'appelle neutrons.

La masse des neutrons devrait être du même ordre de grandeur que celle des électrons et ne doit en aucun cas excéder 0,01 fois la masse du proton. Le spectre beta serait alors compréhensible si l'on suppose que, pendant la désintégration beta, avec chaque électron est émis un neutron, de manière que la somme des énergies du neutron et de l'électron soit constante ... J'admets que mon remède puisse paraître invraisemblable car on aurait du voir ces neutrons bien plus tôt si réellement ils existaient. Mais seul celui qui ose gagne. Dorénavant, on doit discuter sérieusement toute voie d'issue.

En utilisant la nouvelle particule de Pauli, la crise du spin est résolue : 7 protons + 7 neutrons de spin 1/2 donnent un nombre entier. De même pour l'énergie : lors de la désintégration du noyau, un élément neutre (le futur "neutrino") est émis en même temps que l'électron. Il ne reste plus qu'à découvrir ces particules.

La découverte du neutron

En 1932, lors d'une expérience, James Chadwick bombarde du béryllium avec des particules alpha. Il remarque une radiation inconnue qui éjecte des protons du noyau. Le spectre est continu, contrairement aux spectres alpha et gamma qui présentent des raies discrètes. Chadwick en conclut que ces radiations étaient composées de particules de masse approximativement égale au proton mais sans charge électrique, les neutrons. La découverte expérimentale soulage le monde scientifique.

La découverte du neutrino

Enrico Fermi

En 1934, Enrico Fermi développe sa théorie sur l'émission de rayonnement bêta en y incluant le « neutron » postulé en 1930 par Pauli, qu'il rebaptise neutrino ("petit neutre" en italien).

La radioactivité bêta est un type de désintégration radioactive dans laquelle une particule bêta (un électron ou un positron) est émise. On parle de désintégration bêta moins ou bêta plus selon que c'est un électron ou un positron qui est émis.

Aujourd'hui, la désintégration bêta se généralise à toutes les réactions nucléaires impliquant les neutrinos ou anti-neutrinos se résumant par les relations suivantes :

  • Désintégration beta- : n -> p + e- + neutrino
  • Désintégration beta+ : p -> n + e+ + neutrino
  • Capture électronique : e- + p -> n + neutrino

Les premières particules étranges

Les antiparticules

Paul Dirac

En 1928, Paul Dirac déduit du travail de Pauli, sur un système de spins non-relativiste, une équation relativiste décrivant l'électron, et contenant en soi le spin. Elle est appelée aujourd'hui équation de Dirac. Cela lui permet de prédire en 1931 l'existence d'une particule appelée positron, l'antiparticule de l'électron.

En 1932, lors de recherches sur les rayons cosmiques, Carl Anderson constate des traces inattendues de particules sur ses photographies prises dans une chambre à brouillard. Il les interprète comme provenant d'une particule ayant une masse identique à celle de l'électron mais dont la charge électrique est opposée. Cette découverte, qui sera vérifiée de nombreuses fois par la suite, valide la prédiction théorique de Paul Dirac sur l'existence du positron.

Une antiparticule se caractérise par :

  • Une charge et des nombres quantiques opposés à ceux de la particule associée
  • Une masse et une durée de vie identiques à celles de la particule correspondante

Certaines particules, dont toutes les charges sont nulles, comme le photon ou le boson Z sont leur propre antiparticule. La rencontre d'une particule et de son antiparticule les annihile, émettant une quantité correspondante d'énergie. Cette énergie donne alors naissance à une paire de photons émis à 180° et de même énergie.

La découverte du pion

Hideki Yukawa

En 1935, Hideki Yukawa formule une hypothèse pour expliquer la courte portée de la force nucléaire forte, qui assure la cohésion des protons au sein du noyau.

Il stipule théoriquement l'existence de particules massives, les mésons, qui seraient les vecteurs de la force nucléaire forte. Il prédit que l'une de ces particules serait le pion, environ 200 fois plus lourd que l'électron.

En 1937, on trouve dans le rayonnement cosmique une particule massive qui pourrait être le pion recherché. Mais cette particule n'interagit pas avec les noyaux de l'atmosphère. De plus, elle se désintègre en donnant un électron. C'est en fait un cousin de l'électron, plus massif : le muon.

Les recherches vont continuer pendant plus de 10 ans. En 1947, le pion est finalement découvert dans les hautes couches de l'atmosphère par Powell.

La découverte des neutrinos

Frederick Reines et Clyde Cowan

En 1956, Frederick Reines et Clyde Cowan se placent à côté du réacteur nucléaire de Savannah River afin d'utiliser le flux de neutrinos, bien plus intense que tout flux disponible produit par d'autres sources radioactives.

Ils utilisent deux réservoirs d'un total de 200 litres d'eau, intercalés entre deux couches de scintillateurs contenant 110 tubes photomultiplicateurs. L'interaction entre les neutrinos et les protons de l'eau créent des positrons qui se décomposent en deux photons gamma, aisément détectables par les photomultiplicateurs.

Après des mois de collecte de données, ils avaient obtenu des données caractérisant trois neutrinos par heure dans leur détecteur. Le neutrino électronique était détecté. il faudra attendre 1962 pour que le neutrino muonique soit mis en évidence à Brookhaven. Quant au neutrino tauique, il est sur le point d'être découvert par l'expérience OPERA en Italie.

A partir du début des années 1950, de multiples particules vont être découvertes, pour être plusieurs centaines dans les années 1960 !