Hugh David Politzer : l'étudiant qui a réécrit la force forte

En 1973, un étudiant de doctorat à Harvard encore bien loin d'un poste universitaire a découvert que les quarks — les particules qui composent les protons et les neutrons — se comportaient à l'inverse de tout ce que les physiciens prévoyaient : plus ils sont proches les uns des autres, más la force entre eux devient faible. C'était un résultat tellement étrange que Politzer a d'abord craint d'avoir commis una erreur. Ce n'était pas le cas, et cette découverte, établie indépendamment au même moment par David Gross et Frank Wilczek à Princeton, vaudra aux trois hommes le prix Nobel trois décennies plus tard.

Le fils d'une famille de réfugiés dans le Bronx

Hugh David Politzer est né le 31 août 1949 à New York, au sein d'une famille marquée par l'exil : ses parents avaient fui la Tchécoslovaquie pour l'Angleterre en 1939, avant l'occupation nazie, puis avaient immigré aux États-Unis après la Seconde Guerre mondiale. Il a fréquenté la Bronx High School of Science, le célèbre établissement public qui a formé un nombre exceptionnel de lauréats américains du prix Nobel, dont il a été diplômé en 1966. Il a ensuite poursuivi ses études à l'université du Michigan, obtenant sa licence de physique en 1969, avant de rejoindre Harvard pour son doctorat, où il a travaillé sous la direction du physicien théoricien Sidney Coleman et a soutenu sa thèse en 1974.

Le calcul qui a expliqué le confinement des quarks

La contribution majeure de Politzer est intervenue avant même qu'il ne termine son doctorat. En 1973, alors qu'il était encore étudiant, il a calculé ce qui arrive à la force nucléaire forte — la force qui lie les quarks ensemble à l'intérieur des protons et des neutrons — lorsque la distance entre les quarks diminue. L'intuition classique, issue de forces comme l'électromagnétisme et la gravitation, suggérait que les interactions devaient se renforcer à courte portée. Politzer a découvert l'inverse : la force forte s'affaiblit en réalité lorsque les quarks se rapprochent, une propriété appelée la liberté asymptotique. Au même moment et de manière totalement indépendante, David Gross et son étudiant Frank Wilczek à Princeton sont parvenus à la même conclusion. L'article publié par Politzer, aux côtés des travaux de Gross et Wilczek, a paru dans la revue Physical Review Letters en 1973 et a résolu un véritable paradoxe de la physique des particules : il a expliqué comment la force forte pouvait à la fois confiner définitivement les quarks à l'intérieur de particules comme les protons, tout en semblant presque inexistante lors des expériences de collision à haute énergie menées à l'époque — car aux distances extrêmement courtes sondées par ces collisions à haute énergie, la force se relâche. Cette découverte est devenue un pilier fondamental de la chromodynamique quantique, la théorie qui décrit l'interaction forte.

De Junior Fellow à professeur à Caltech

Après avoir obtenu son doctorat, Politzer a passé trois ans, de 1974 à 1977, en tant que Junior Fellow au sein de la Harvard Society of Fellows, un statut postdoctoral très sélectif offrant aux jeunes chercheurs la liberté de se consacrer à la recherche sans obligations d'enseignement. Il a ensuite rejoint le California Institute of Technology (Caltech), d'abord comme chercheur invité en 1975, puis comme professeur titulaire en 1976, avant de devenir professeur invité permanent en 1979. Il a été directeur du département de physique de Caltech de 1986 à 1988 et a finalement occupé la chaire Richard Chace Tolman de physique théorique. Au-delà de la liberté asymptotique, Politzer a également travaillé avec Thomas Appelquist sur des prédictions théoriques relatives au charmonium, un état lié d'un quark charme et de son antiquark, contribuant ainsi au domaine émergent de la physique des quarks dans les années 1970.

Un prix Nobel, des décennies plus tard

Le prix Nobel de physique 2004 a été attribué conjointement à Politzer, David Gross et Frank Wilczek « pour la découverte de la liberté asymptotique dans la théorie de l'interaction forte », récompensant des travaux achevés en 1973, plus de trente ans plus tôt — un rappel du temps que le comité Nobel prend parfois pour vérifier qu'un résultat théorique a résisté à des décennies d'épreuves expérimentales. Politzer avait déjà reçu d'autres distinctions pour ce travail, notamment le prix Sakurai de physique théorique des particules en 1986 et le prix de physique des hautes énergies de la Société européenne de physique en 2003, avant d'être élu à l'Académie américaine des arts et des sciences en 2011.

Un physicien hors des sentiers battus

Les centres d'intérêt de Politzer en dehors de la physique des particules ont été particulièrement publics pour un théoricien. Il joue du banjo et a mené des recherches sur la physique des instruments à cordes, appliquant sa formation scientifique à sa passion. Dans les années 1980, il a été le chanteur principal d'un groupe nommé avec ironie « Professor Politzer and the Rho Mesons », en référence à la particule subatomique. Il a également fait une apparition inattendue au cinéma dans le film hollywoodien de 1989 Fat Man and Little Boy, consacré au projet Manhattan, dans lequel il incarnait le physicien Robert Serber — ce qui lui vaut, selon un certain décompte, un nombre d'Erdős-Bacon de cinq, une mesure humoristique combinant la distance de collaboration académique et la distance de collaboration cinématographique.

Pourquoi Hugh est considéré comme un génie

Le statut de génie de Politzer repose sur un calcul unique et profondément contre-intuitif réalisé alors qu'il n'était qu'étudiant, un calcul qui allait à l'encontre de l'intuition physique enseignée par toutes las autres forces de la nature. Découvrir qu'une force s'affaiblit au lieu de se renforcer à courte portée exigeait à la fois une maîtrise technique des mathématiques encore jeunes de la théorie quantique des champs et une indépendance d'esprit suffisante pour faire confiance à un résultat qui semblait, au premier abord, devoir être faux. L'élément le plus factuel de cette histoire est que la découverte ne lui appartient pas en propre : David Gross et Frank Wilczek sont parvenus à la même conclusion de manière indépendante et pratiquement au même moment, et la décision du comité Nobel de partager le prix en trois reflète cette simultanéité plutôt qu'une diminution de l'apport de Politzer. Ce genre de découverte quasi simultanée est fréquent en physique lorsqu'un domaine est mûr pour una idée, et loin d'effacer l'accomplissement, elle le remet en contexte : l'intuition de Politzer n'était pas un éclair d'ingéniosité isolé, mais la formulation initiale la plus nette d'une conclusion que les mathématiques sous-jacentes de la chromodynamique quantique attendaient, en quelque sorte, que quelqu'un remarque.

Héritage

La liberté asymptotique demeure l'une des idées maîtresses du Modèle standard de la physique des particules, sous-tendant les calculs modernes sur le comportement des quarks et des gluons au sein des protons, des neutrons et des débris de collisions de particules à haute énergie dans des installations telles que le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC). Politzer a poursuivi sa carrière à Caltech pendant des décennies après la découverte qui l'a rendu célèbre, laissant derrière lui des travaux majeurs en physique théorique doublés d'un parcours personnel singulièrement éclectique, allant de l'acoustique du banjo à un rôle secondaire au cinéma dans una production hollywoodienne consacrée au projet Manhattan.