Arthur B. McDonald : le physicien qui est descendu à deux kilomètres sous terre

À deux kilomètres sous le paysage de l'Ontario, à l'intérieur d'une mine de nickel en activité près de Sudbury, Arthur McDonald a passé plus d'une décennie à mener une expérience qui devait être protégée de presque toutes les particules à la surface de la Terre pour pouvoir capter celles qui pleuvaient depuis le Soleil. Lorsque les chiffres sont finalement revenus en 2001, il a qualifié cela de « moment eurêka » : les neutrinos, les particules fantômes dont les physiciens avaient supposé qu'ils étaient sans masse, changeaient d'identité en plein vol — une preuve qu'ils possédaient bien une masse après tout.

De Sydney, en Nouvelle-Écosse, à Caltech

Arthur Bruce McDonald est né le 29 août 1943 à Sydney, en Nouvelle-Écosse, et est resté près de chez lui pour ses premières études, obtenant une licence en 1964 puis une maîtrise en 1965 en physique à l'Université Dalhousie. Il a ensuite traversé le continent pour ses études supérieures au California Institute of Technology (Caltech), où il a obtenu un doctorat en physique nucléaire en 1969 sous la direction de Charles A. Barnes, avec une thèse sur les énergies d'excitation et les propriétés de désintégration d'états nucléaires spécifiques de l'oxygène-17, du fluor-17 et du sodium-21 — un travail technique et peu glamour, typique d'un jeune physicien nucléaire trouvant ses marques avant la découverte qui définirait sa carrière.

De Chalk River à Princeton

La première vie professionnelle de McDonald s'est déroulée en grande partie au sein de l'établissement de recherche nucléaire du Canada, en tant qu'agent de recherche aux Laboratoires nucléaires de Chalk River de 1969 à 1982, dans le cadre du programme phare du pays sur la physique des réacteurs et des particules. Il est ensuite passé à un poste de professeur à l'Université de Princeton de 1982 à 1989, avant de retourner au Canada pour rejoindre l'Université Queen's à Kingston, en Ontario, en 1989 — l'année même où il est devenu le directeur fondateur d'une nouvelle expérience ambitieuse construite dans une mine en activité, à deux kilomètres sous terre.

La construction de l'Observatoire de neutrinos de Sudbury

L'Observatoire de neutrinos de Sudbury, connu sous le nom de SNO, a été construit à l'intérieur de la mine de nickel Creighton précisément parce que son énorme profondeur rocheuse protégerait un détecteur extraordinairement sensible du fond de rayons cosmiques qui inonde la surface de la Terre. En son cœur se trouvaient mille tonnes d'eau lourde, choisie parce qu'elle pouvait enregistrer les trois types, ou « saveurs », de neutrino plutôt qu'un seul. McDonald a dirigé la collaboration internationale du SNO tout au long de la construction du projet et, une fois les opérations lancées en 1998, pendant des années de collecte minutieuse de données visant à résoudre une énigme vieille de plusieurs décennies connue sous le nom de problème des neutrinos solaires : les détecteurs sur Terre ne trouvaient systématiquement qu'environ un tiers des neutrinos électroniques que la physique solaire prédisait que le Soleil devait produire. En août 2001, les résultats du SNO ont montré pourquoi — les neutrinos manquants n'avaient pas disparu, ils avaient changé de saveur, oscillant des neutrinos électroniques en neutrinos muoniques et tauiques lors de leur voyage depuis le cœur du Soleil jusqu'au puits de mine de l'Ontario. Cette oscillation ne pouvait se produire que si les neutrinos, contrairement aux hypothèses initiales intégrées dans le modèle standard de la physique des particules, possédaient une masse petite mais non nulle.

Un prix Nobel partagé à travers le Pacifique

Le prix Nobel de physique 2015 a été décerné conjointement à McDonald et au physicien japonais Takaaki Kajita, dont l'expérience Super-Kamiokande avait indépendamment trouvé des preuves de l'oscillation des neutrinos en utilisant des neutrinos atmosphériques plutôt que solaires. La citation a reconnu les deux hommes « pour la découverte des oscillations de neutrinos, qui montre que les neutrinos ont une masse » — une découverte que le comité Nobel et la communauté des physiciens en général ont considérée comme la première fissure confirmée dans le modèle standard, le cadre qui avait par ailleurs prédit le comportement des particules avec une précision remarquable pendant des décennies. McDonald a par la suite accumulé une série d'honneurs connexes : la médaille Benjamin Franklin en physique en 2007, l'élection comme membre de la Royal Society en 2009, le prix Killam en sciences naturelles en 2010, la médaille Henry Marshall Tory en 2011, le prix Giuseppe et Vanna Cocconi d'astrophysique des particules en 2013, sa nomination comme Compagnon de l'Ordre du Canada en 2015, et le prix Breakthrough de plusieurs millions de dollars en physique fondamentale, partagé entre les équipes du SNO et de Super-Kamiokande. Un astéroïde, 229781 Arthurmcdonald, a été nommé en son honneur en 2016.

SNOLAB, matière noire et un détour pandémique

L'installation souterraine que McDonald a construite pour le SNO n'a pas fermé ses portes lorsque l'expérience sur les neutrinos s'est achevée ; elle a été agrandie pour devenir SNOLAB, l'un des laboratoires scientifiques souterrains les plus profonds et les plus propres au monde, où McDonald a poursuivi ses recherches sur la physique des neutrinos et la recherche de matière noire en tant que professeur émérite à l'Université Queen's. Ses compétences se sont également avérées utiles en dehors de la physique des particules : pendant la pandémie de COVID-19, McDonald a aidé à diriger l'effort d'ingénierie derrière le Mechanical Ventilator Milano, une conception de ventilateur open-source facile à produire en masse, un travail qui a reçu le soutien public du Premier ministre canadien Justin Trudeau alors que les hôpitaux étaient confrontés à des pénuries d'équipement.

Pourquoi Arthur est qualifié de génie

Le génie de McDonald ne tient pas tant à un éclair d'intuition théorique qu'à la discipline technique et organisationnelle soutenue, presque obstinée, nécessaire pour répondre à une question que la nature avait remarquablement bien cachée. Les neutrinos interagissent si faiblement avec la matière ordinaire que des billions d'entre eux traversent le corps humain chaque seconde sans effet ; détecter la minuscule fraction qui interagit, assez proprement pour distinguer une saveur d'une autre, a exigé de construire et d'exploiter l'un des instruments les plus isolés et les plus précisément calibrés jamais construits, à deux kilomètres sous terre, pendant près de deux décennies. Ce n'est pas le génie d'une idée soudaine, mais celui d'une patience expérimentale implacable — concevoir un appareil assez sensible pour attraper ce que personne n'avait attrapé auparavant, et maintenir une collaboration internationale assez longtemps pour obtenir une réponse claire. La qualification honnête est que l'idée sous-jacente de l'oscillation des neutrinos n'était pas seulement celle de McDonald : des théoriciens l'avaient proposée plus tôt, et l'équipe de Takaaki Kajita est parvenue à une conclusion parallèle indépendamment en utilisant des neutrinos complètement différents, ce qui est précisément la raison pour laquelle le prix Nobel a été partagé. La contribution distincte de McDonald a été de la prouver de manière décisive, avec une expérience dont l'audace physique pure — eau lourde, mine en activité, blindage contre les rayons cosmiques à cette échelle — était tout autant un exploit de physique appliquée et de leadership que de théorie.

Héritage

La découverte de l'expérience SNO a remodelé une hypothèse fondamentale de la physique des particules et a laissé derrière elle SNOLAB comme élément permanent de l'infrastructure scientifique, accueillant désormais des recherches sur la matière noire et d'autres expériences souterraines profondes qui seraient impossibles ailleurs sur Terre. McDonald, toujours actif dans la recherche bien après ses quatre-vingts ans, reste l'un des scientifiques les plus décorés du Canada et une présence continue dans le laboratoire souterrain qu'il a construit pour la première fois pour attraper une poignée de particules insaisissables venues du Soleil.