Geoff Greene
Quelques souvenirs concernant Norman Ramsey et l'ILL
par Geoff Greene [1] (août 2022)
Avertissement : l'auteur a participé à diverses expériences à l'ILL entre 1975 et le milieu des années 1990, dont beaucoup se sont déroulées en collaboration avec Norman Ramsey. Le texte qui suit est rédigé de manière informelle et repose entièrement sur des souvenirs personnels, dont certains remontent à plus de 40 ans. L'auteur prie d'excuser toute omission ou erreur factuelle.
Expérience de mesure du moment dipolaire électrique (EDM) du neutron
Norman Ramsey débuta sa collaboration avec l'ILL au milieu des années 1970, avec une expérience de mesure du moment dipolaire électrique du neutron (EDM) [2] sur faisceau de neutrons froids, menée sur le faisceau H18. Ce projet s'inscrivait dans le prolongement d'une série de recherches d'EDM du neutron qu'il avait dirigées et menées à l'Oak Ridge National Laboratory. Ce programme incluait la première mesure réalisée sur le réacteur graphite d'ORNL au début des années 1950, qui fut d'ailleurs la toute première expérience spécifiquement conçue pour rechercher la violation de la parité [3]. Ramsey incita Mike Pendlebury et Ken Smith, de l'Université du Sussex, à rejoindre ses collaborateurs d'ORNL (Phil Miller et Bill Dress) pour adapter le dispositif d'ORNL et l'installer à l'ILL. (Il est intéressant de noter que cette expérience fut la première activité de Mike Pendlebury dans le domaine des neutrons, marquant ainsi les tout premiers pas de sa brillante carrière dans ce domaine.)
Bénéficiant de la vitesse plus faible et de la haute intensité du faisceau de neutrons froids, cette expérience produisit le résultat le plus sensible jamais obtenu par une méthode « à faisceau » pour l'EDM du neutron, un record qui ne fut pas dépassé pendant plusieurs années, jusqu'à l'obtention des premiers résultats concluants avec des neutrons ultra-froids (UCN) [4].
Moment magnétique du neutron
À la suite de ces travaux, les efforts de Ramsey se scindèrent en deux projets distincts. Dans le premier, Ramsey s'aperçut que la haute résolution du dispositif EDM d'ORNL pouvait être exploitée pour mesurer avec précision le moment magnétique du neutron [5], grâce à une procédure de calibration RMN par écoulement d'eau, ingénieusement proposée par Edward Purcell. Le doctorant Geoff Greene, avec Walter Mampe et Mike Pendlebury, réussit à modifier le dispositif EDM d'ORNL, obtenant ainsi un gain de précision d'un facteur 100. Il s'agissait d'ailleurs là du premier projet de Walter Mampe portant sur la physique fondamentale du neutron.
Expériences EDM du neutron aux neutrons ultra-froids (UCN)
Dans le second axe de recherche, Ramsey, avec de nombreux autres collaborateurs, reconnut les immenses avantages que pouvaient offrir les neutrons ultra-froids (UCN) pour les expériences de mesure de l'EDM du neutron, et une nouvelle collaboration se constitua pour soutenir un projet fondé sur les UCN. Parmi les nouveaux membres figuraient Bob Golub, qui avait travaillé sur la physique atomique au Sussex, Walter Mampe(contact local) et Paul Ageron de l'ILL, ainsi que Keith Green et Tony Baker du Rutherford Laboratory. Cet effort se poursuit bien entendu encore aujourd'hui. [Par exemple, en 2022, panEDM est une expérience en cours d'installation sur SuperSUN, une nouvelle source UCN.]
Courants neutres faibles
À la fin des années 1970, la question de l'existence des courants neutres faibles [6] devint une priorité en physique des particules. Cela conduisit à des efforts majeurs en physique des hautes énergies (HE), notamment au CERN et ailleurs. Mais on comprit également que les courants neutres faibles pouvaient entraîner des phénomènes intéressants à basse énergie, notamment la possibilité d'une violation cohérente de la parité — un phénomène analogue à l'activité optique observée dans les molécules chirales.
Si l'essentiel de l'attention se concentrait sur la physique atomique, quelques chercheurs remarquèrent qu'une « activité optique neutronique » observable pourrait exister dans la matière ordinaire, en raison de l'interaction faible nucléon-nucléon. Cette possibilité avait en réalité été signalée pour la première fois par F. Curtis Michel, au début des années 1960, mais ce fut Ramsey qui comprit que, bien que l'effet soit extrêmement faible, il pourrait être observable à l'aide des faisceaux de neutrons froids de l'ILL. Ramsey et le groupe Sussex-Rutherford commencèrent alors à explorer les possibilités expérimentales, et c'est à peu près à cette époque que le doctorant Blayne Heckel rejoignit la collaboration.
De son côté, Mario Forte, alors à Euratom, suggéra que des amplifications significatives pouvaient résulter d'effets nucléaires collectifs, et proposa que l'isotope ¹²⁴Sn pourrait présenter un effet observable. Un dispositif destiné à détecter cette rotation de spin violant la parité, construit en grande partie par Forte, fut installé à l'ILL, avec une nouvelle ligne de faisceau polarisé mise en place par Blayne Heckel et Geoff Greene (instrument S43, sur le tube de guide H142).
Le souvenir personnel suivant évoque un aspect particulièrement amusant de ce projet :
Ramsey usa de son influence pour obtenir la totalité de la réserve mondiale de l'isotope pur ¹²⁴Sn, coulée en un bloc d'échantillon d'environ 10 × 10 × 40 mm³. Afin de tenir compte d'éventuels effets systématiques, un bloc similaire d'étain isotopiquement naturel (ne contenant qu'environ 6 % de ¹²⁴Sn) fut préparé pour servir de « contrôle nul ». Aucun effet ne fut observé sur le ¹²⁴Sn, mais, à la surprise générale, l'étain naturel présenta un léger effet. Après une durée de mesure prolongée, cet effet ne disparut pas. Après un véritable travail de « détective », Blayne Heckel suggéra que cet effet pourrait provenir du ¹¹⁷Sn (environ 8 % d'abondance), déjà connu pour présenter une asymétrie de parité amplifiée dans la capture neutronique. Malgré la faible abondance du ¹¹⁷Sn, si l'activité optique était amplifiée dans les mêmes proportions que cette asymétrie de capture, un effet observable pourrait exister même dans l'étain naturel. Ramsey, qui prévoyait justement une visite à l'ILL, parvint rapidement à convaincre ORNL de fournir la réserve mondiale de ¹¹⁷Sn afin d'en couler un échantillon adéquat. Aujourd'hui, les démarches administratives nécessaires pour acquérir un échantillon aussi difficilement remplaçable prendraient probablement des années, et son transport à l'étranger serait pratiquement impossible. Néanmoins, Ramsey réussit, grâce à son influence, à obtenir l'échantillon en l'espace de quelques semaines, et l'apporta lui-même dans ses bagages à main lors de son vol à destination de Lyon. Greene et Heckel accueillirent Ramsey à l'aéroport, et tous trois se rendirent directement à l'ILL, où ils installèrent l'échantillon dans l'appareil dès le soir même (S43, sur le tube de guide de neutrons froids H18). Vers deux ou trois heures du matin, ils avaient déjà observé un signal positif. À leur retour le matin, le signal était net et statistiquement significatif. Ce fut une journée particulièrement exaltante, marquant en réalité la toute première observation d'une violation cohérente de la parité.
Les études de rotation de spin se poursuivirent pendant plusieurs années encore.
La physique fondamentale du neutron à l'ILL
L'influence de Ramsey sur l'évolution de la physique fondamentale du neutron à l'ILL fut profonde.
Il convient de rappeler que le programme initial de physique nucléaire de l'ILL était centré sur la structure et les réactions nucléaires, et reposait sur des instruments fixes tels que GAMS et LOHENGRIN. Aucun plan explicite n'existait alors pour un programme de « physique fondamentale du neutron ».
Au départ, le programme de recherche en physique nucléaire avait été conçu sur un modèle proche de celui de la diffusion de neutrons, où les utilisateurs apportaient leurs échantillons et menaient des expériences distinctes, de relativement courte durée.
L'expérience EDM de Ramsey constitua le modèle des expériences ultérieures, dans le cadre du programme de physique fondamentale de l'ILL, qui connut un grand succès et impliqua l'installation d'équipements spécialisés pour des expériences de longue durée. En cela, Ramsey apporta à l'ILL quelque chose de nouveau et de significatif.
L'influence de Ramsey sur la recherche neutronique
L'influence de Ramsey fut également considérable au regard du nombre de futurs chercheurs de premier plan dans le domaine de la recherche fondamentale sur le neutron qu'il encouragea à s'y investir. Les noms cités plus haut n'en représentent qu'un échantillon limité.
Notes
[1] Toute la carrière de Geoffrey (Geoff) Greene fut consacrée au neutron. Il arriva à l'ILL en 1975 en tant que doctorant de Norman Ramsey, avec qui il travailla sur la mesure précise du moment magnétique du neutron. Il travailla ensuite comme post-doctorant sur l'expérience nEDM. Après son retour aux États-Unis, il poursuivit ses travaux en physique fondamentale du neutron (masse du neutron, durée de vie du neutron, etc.). En 2021, il reçut le prix Tom W. Bonner de physique nucléaire, pour « le développement de techniques expérimentales de mesure en faisceau de la durée de vie du neutron et d'autres expériences, ainsi que pour la réalisation d'une installation destinée à la prochaine génération de mesures en physique fondamentale du neutron ».
[2] Le neutron est composé de trois quarks portant des charges électriques fractionnaires, négatives et positives, dont la somme est nulle — le neutron est donc électriquement neutre vu de l'extérieur. Cependant, si les distributions de charge négative et positive à l'intérieur de la particule ne coïncident pas exactement, le neutron présenterait un moment dipolaire électrique (EDM) non nul, quoique incroyablement faible. Les théories actuelles indiquent que cela ne peut se produire que si la symétrie de parité (P) et la symétrie de renversement du temps (T) sont toutes deux violées — l'une des conditions nécessaires pour expliquer l'asymétrie matière-antimatière observée dans notre univers. C'est pourquoi, depuis la première expérience de Ramsey sur l'EDM, les scientifiques s'efforcent avec tant d'acharnement d'observer l'EDM du neutron.
[3] On avait initialement supposé qu'une expérience menée dans un miroir devait donner le même résultat que dans notre monde. Norman Ramsey fut le premier à vérifier cela au niveau des particules, en recherchant un moment dipolaire électrique (EDM) du neutron, qui ne peut exister que si cette symétrie n'est pas respectée (violation de la parité).
[4] La plupart des spectromètres de physique de l'état solide utilisent des neutrons chauds à froids (température : 1500 K à 2,5 K, longueur d'onde : 2,5 Å à 20 Å), mais les neutrons ultra-froids (température < 0,001 K, longueur d'onde > 800 Å) sont particulièrement prisés en physique des particules, en raison de leurs propriétés tout à fait particulières. Par exemple, tout comme les photons sont réfléchis par des miroirs, les UCN sont réfléchis par les surfaces matérielles, quel que soit l'angle d'incidence, et ne peuvent les traverser. Ils peuvent ainsi être stockés dans des « bouteilles », ce qui permet aux physiciens des particules de mesurer leurs propriétés pendant une très longue durée. Ce stockage en bouteille constitue aujourd'hui la meilleure technique pour mesurer la durée de vie du neutron (environ 15 minutes), un paramètre crucial pour les théories actuelles de la physique des particules et pour expliquer l'abondance isotopique observée dans l'Univers.
[5] Le moment magnétique traduit l'intensité et l'orientation du champ magnétique produit par un objet. Le neutron possède un moment magnétique et se comporte donc comme une minuscule boussole, sensible à son environnement magnétique. Une connaissance précise de la valeur de ce moment magnétique est essentielle pour de nombreuses expériences et techniques de physique de l'état solide et de physique fondamentale impliquant le magnétisme.
[6] Le neutron est comme une minuscule boussole dont l'aiguille (la direction du spin) tourne en fonction de la direction et de l'intensité du champ magnétique qu'il traverse. On pourrait donc s'attendre à ce que le spin du neutron ne tourne pas lorsqu'il traverse un matériau non magnétique. Cependant, contrairement aux autres forces fondamentales, l'interaction faible, qui régit les interactions entre les quarks à l'intérieur du neutron, est connue pour être chirale depuis 1957. Autrement dit, cette force n'agit pas de la même manière sur des neutrons dont les directions de spin sont opposées. En 1998, Ramsey et ses collaborateurs observèrent cet effet infime pour la première fois dans l'isotope ¹¹⁷Sn, puis dans d'autres isotopes. Cela offrit aux physiciens une nouvelle méthode pour étudier la violation de la parité.
Références
Le contenu bibliographique de ces listes (titres d'articles, auteurs, revues, DOI) reste non traduit, conformément à la convention de citation académique déjà appliquée tout au long de cette conversation. Voici les titres de section traduits :
Expérience de mesure du moment dipolaire électrique (EDM) du neutron
- "Search for an electric dipole moment of the neutron." Dress W.B., Miller P.D., Pendlebury J.M., Perrin P. and Ramsey N.F., Physical Review D 15, 9-21 (1977), DOI: 10.1103/PhysRevD.15.9
Moment magnétique du neutron
- "A new measurement of the magnetic moment of the neutron." Greene G.L., Ramsey N.F., Mampe W., Pendlebury J.M., Smith K., Dress W.D., Miller P.D. and Perrin P., Physics Letters B 71, 297-300 (1977). DOI: 10.1103/PhysRevD.15.9
- "Measurement of the neutron magnetic moment." Greene G.L., Ramsey N.F., Mampe W., Pendlebury J.M., Smith K., Dress W.B., Miller P.D. and Perrin P., Physical Review D 20, 2139-2153 (1979). DOI: 10.1016/0370-2693(77)90220-9
- "An improved derived value for the neutron magnetic moment in nuclear magnetons." Greene G.L., Ramsey N.F., Mampe W., Pendlebury J.M., Smith K., Dress W.B., Miller P.D. and Perrin P., Metrologia 18, 93 (1982). DOI: 10.1088/0026-1394/18/2/005
Expériences UCN et EDM du neutron
- "Electric dipole moment of the neutron." Ramsey N.F., Annual Review of Nuclear and Particle Science 40, 1-14 (1990). DOI: 10.1146/annurev.ns.40.120190.000245
- "A search for the electric dipole moment of the neutron." Smith K.F., Crampin N., Pendlebury J.M., Richardson D.J., Shiers D., Green K., Kilvington A.I., Moir J., Prosper H.B., Thompson D., Ramsey N.F., Heckel B.R., Lamoreaux S.K., Ageron P., Mampe W., Steyerl A, Physics Letters B 234, 191-196 (1990). DOI: 10.1016/0370-2693(90)92027-G
- "The electric dipole moment of the neutron." Ramsey N.F., Physica Scripta T22, 140-143 (1988). DOI: 10.1088/0031-8949/1988/T22/021
- "Search for a neutron electric dipole moment." Ramsey N.F., In: "Weak and electromagnetic interactions in nuclei", Klapdor H.V. (Eds.)(Springer Verlag, 1986) pp.861-865. DOI: 10.1007/978-3-642-71689-8_171
- "Search for a neutron electric dipole moment." Pendlebury J.M., Smith K.F., Golub R., Byrne J., McComb T.J.L., Sumner T.J., Burnett S.M., Taylor A.R., Heckel B., Ramsey N.F., Green K., Morse J., Kilvington A.I., Baker C.A., Clark S.A., Mampe W., Ageron P. and Miranda R., Physics Letters B 136, 327-330 (1984). DOI: 10.1016/0370-2693(84)92013-6
- "Electric-dipole moments of elementary particles." Ramsey N.F., Reports on Progress in Physics 45, 95-113 (1982). DOI: 10.1088/0034-4885/45/1/003
Courants neutres faibles
- "Measurement of parity nonconserving neutron spin rotation in lanthanum." Heckel B., Forte M., Schaerpf O., Green K., Greene G.L., Ramsey N.F., Byrne J. and Pendlebury J.M., Physical Review C 29, 2389-2391 (1984). DOI: 10.1103/PhysRevC.29.2389
- "A measurement of parity non-conserving neutron spin rotation in lead and tin." Heckel B., Ramsey N.F., Green K., Greene G.L., Gähler R., Schaerpf O., Forte F., Dress W.B., Miller P.D., Golub R., Byrne J. and Pendlebury J.M., Physics Letters B 119, 298-302 (1982). DOI: 10.1016/0370-2693(82)90674-8
- "First measurement of parity-nonconserving neutron spin-echo rotation: The tin isotopes." Forte M., Heckel B.R., Ramsey N.F., Green K., Greene G.L., Byrne J. and Pendlebury J.M., Physical Review Letters 45, 2088-2092 (1981). DOI: 10.1103/PhysRevLett.45.2088