Bob Golub
Norman Ramsey at the ILL
par Bob Golub, octobre 2022
Si l'on consulte le premier chapitre du livre de Norman Ramsey, « Spectroscopy with Coherent Radiation », on mesure immédiatement à quel point sa vie fut d'une productivité remarquable, couvrant un très large éventail d'activités. Au regard de cela, les propos qui suivent peuvent sembler bien anecdotiques, mais ils n'en représentent pas moins mes souvenirs des interactions que j'ai eues avec Norman au fil de nombreuses années.
Mes premiers contacts avec Ramsey
Dans les années 60, j'étais doctorant au laboratoire des faisceaux atomiques du MIT. Ce laboratoire était placé sous la direction nominale de J. R. Zacharias, qui avait été, tout comme Norman Ramsey, l'élève d'I. I. Rabi (lauréat du prix Nobel de physique en 1944), pionnier des travaux sur les faisceaux atomiques aux États-Unis. Tous deux (Zacharias et Ramsey) participèrent ensuite au projet Manhattan, et se virent attribuer, après la guerre, des chaires respectivement au MIT et à Harvard. Rabi était fier de son caractère plutôt abrasif, dont Zacharias hérita à son tour. Ramsey, en revanche, était quelqu'un de très avenant. J'ai appris les bases de ce domaine grâce à l'ouvrage encyclopédique de Ramsey, « Molecular Beams » [2], ce qui m'a valu de le respecter énormément dès le début de ma carrière.
Le seul contact direct que j'ai eu avec lui durant ces années remonte à une visite de Ramsey au laboratoire de Zacharias, au MIT, en compagnie de Ken Smith, professeur à l'Université du Sussex, au Royaume-Uni, dont j'ai rejoint le groupe par la suite. À une occasion, Ramsey donna une conférence à Harvard sur son expérience de mesure du moment dipolaire électrique du neutron (nEDM) [2], que nous étions justement en train d'analyser attentivement dans notre laboratoire. Il répéta à plusieurs reprises qu'il s'agissait d'une expérience remarquable, car elle ne comportait aucune erreur systématique — ce que je savais pertinemment être faux. Finalement, dans sa conclusion, il affirma de nouveau qu'il n'y avait aucune erreur systématique, avant d'ajouter : « Ah si, il y en a bien une » (connue sous le nom d'effet v croix E), récemment introduite dans le domaine par Sandars et Lipworth [3], effet qu'il n'avait cessé de minimiser. Puis, comme le résultat restait tout juste compatible avec un effet nul (EDM nul pour le neutron), il se livra à une sorte de danse intellectuelle, insistant sur la possibilité qu'ils étaient en train d'observer un effet non nul.
Au fil des années, Zacharias avait fait allusion à plusieurs reprises à de prétendus défauts de caractère chez Ramsey. À l'époque, j'attribuais cela à de la jalousie de la part de Zacharias, car Ramsey semblait être le physicien le plus accompli des deux, responsable de plusieurs innovations majeures, dont le maser à hydrogène, tandis que les principaux succès de Zacharias étaient l'horloge atomique à faisceau de césium, ainsi que son rôle de conseiller auprès du gouvernement et de l'armée. Il avait d'ailleurs été fortement impliqué dans la décision de construire le réseau radar d'alerte avancée. Il régnait entre les deux hommes un sentiment de rivalité intense, du moins du côté de Zacharias.
Le projet nEDM et autres travaux des débuts
Après deux années de post-doctorat à l'Université Brandeis (1968), j'ai rejoint le groupe de Ken Smith à l'Université du Sussex, où était menée une expérience de faisceau visant à rechercher un moment dipolaire électrique du neutron, dirigée par Mike Pendlebury. Nos intérêts se sont ensuite tournés vers les neutrons ultra-froids (UCN) [3], et nous avons développé une conception de source UCN que nous avons finalement proposée à l'ILL.
Le directeur de l'époque (Rudolf Mössbauer) nous a invités à Grenoble pour en discuter (probablement en 1972). À notre arrivée à Grenoble, on nous a annoncé que Norman Ramsey, également intéressé par l'EDM du neutron, se joindrait à nous. Cela a mené à la création de la « collaboration Sussex-Harvard-ILL » (élargie par la suite au Rutherford Laboratory), au transfert de l'expérience de faisceau nEDM de Ramsey d'Oak Ridge vers l'ILL, ainsi qu'à la construction de la première source UCN de l'ILL (avec le solide soutien technique et scientifique de Paul Ageron) et du premier dispositif Sussex-ILL destiné à rechercher le nEDM.
Ramsey se rendait régulièrement à l'ILL, et (plus rarement) au Sussex, pendant les années de construction et de mesure. Il disposait d'une subvention spéciale lui permettant de financer un doctorant à l'ILL. Le premier fut Geoff Greene (1975), étudiant à Harvard, dont la thèse portait sur la mesure du moment magnétique du neutron [4] sur un faisceau de neutrons de l'ILL. Geoff resta ensuite comme post-doctorant, rejoint par Blayne Heckel, un autre étudiant de Harvard, dont la thèse portait sur la rotation de spin du neutron dans le dispositif Forte (voir plus bas). Après sa thèse, Blayne resta lui aussi comme post-doctorant et commença à travailler sur l'expérience UCN nEDM. En 1983, Blayne fut nommé professeur assistant à Seattle (Université de Washington), où il rejoignit le groupe de Fortson. Steve Lamoreauxfut son doctorant. Après sa thèse (EDM du mercure), Steve se rendit à l'ILL pour travailler sur le nEDM, financé par la subvention de Blayne. Nous collaborons depuis lors.
Tous sont devenus des physiciens de premier plan.
Anecdotes des premiers jours
Quelques années après la création de notre collaboration sur le nEDM (probablement en 1976), j'ai eu l'occasion de me rendre à l'Université Harvard. Norman s'est révélé être un hôte magnifique, organisant pour moi de nombreuses activités intéressantes. Nous avons ainsi déjeuné un jour avec Sheldon Glashow et Steven Weinberg. Il m'a également invité à un dîner dans un club exclusif de Harvard (dont j'ai oublié le nom). Le règlement voulait que chaque membre possède une clé du bâtiment du club, mais que personne ne puisse ouvrir la porte à quelqu'un d'autre. Les invités n'étaient admis qu'accompagnés d'un membre. Norman étant occupé en début de soirée, il avait pris ses dispositions pour que je retrouve un autre membre à un coin de rue de Cambridge, et nous avons ensuite marché jusqu'au club ensemble. Norman devait nous rejoindre plus tard. Je ne me souviens plus de la conversation, mais vers la fin du dîner, le célèbre professeur de philosophie a fini par tomber de sa chaise en essayant de draguer la jeune femme assise à côté de lui.
Norman avait toujours une présence impressionnante, très grand, avec une chevelure entièrement blanche.
Un jour, il y eut un dîner fastueux dans un château près de Grenoble (peut-être le château de Sassenage). Ramsey et Mössbauer (alors directeur de l'ILL) étaient assis ensemble et discutaient, tandis que tout le monde écoutait. Je me souviens que Ramsey menait la conversation sans peine, Mössbauer ne pouvant rivaliser avec sa puissance intellectuelle.
Ramsey défendait presque toujours l'intérêt scientifique dans n'importe quel débat, indépendamment des personnalités en jeu. Il soutenait fermement toute innovation nouvelle, comme la source UCN à hélium superfluide développée par Mike Pendlebury et moi-même, et disait un jour que nous étions dans « l'année du refroidissement », puisque nous en discutions la même année où le refroidissement de faisceau en accélérateur avait été mis au point. Après avoir lu plusieurs articles du groupe de Dubna, plus avancé dans le développement d'une expérience UCN visant à rechercher un nEDM, j'avais compris que le fait qu'un blindage magnétique cylindrique soit plus efficace dans la direction perpendiculaire à l'axe du blindage signifiait que l'axe de notre chambre de stockage cylindrique pour UCN devait être perpendiculaire à l'axe du blindage. Pour une raison ou une autre, Ken Smith s'y opposait avec véhémence. Lorsque la question fut abordée lors d'une réunion en présence de Ramsey, celui-ci soutint immédiatement cette idée, la jugeant « meilleure pour la physique ».
La recherche du moment dipolaire électrique du neutron (nEDM) à l'ILL
Un autre exemple concernant la recherche du nEDM à l'ILL :
Une analyse des données, fondée sur le calcul de moyennes pondérées des mesures du magnétomètre et leur soustraction à une moyenne pondérée des données du nEDM, a donné un résultat non nul pour le nEDM. Mike Pendlebury l'annonça lors d'une conférence. Steve Lamoreaux, méfiant, entreprit sa propre analyse des données, qui révéla de fortes corrélations entre les magnétomètres et le champ électrique. Les résultats de cette nouvelle analyse étaient compatibles avec une valeur nulle du nEDM. Cela donna lieu à des débats animés, la découverte d'un EDM non nul aurait représenté un coup d'éclat considérable.
Dès qu'il vit les résultats de Lamoreaux, Norman déclara qu'ils étaient corrects. Il alla même jusqu'à faire une démarche inhabituelle : à la suite d'une réunion où la question avait été vivement débattue, il écrivit à chaque membre de la collaboration pour dire qu'il approuvait l'analyse des corrélations et que c'était la bonne façon d'analyser les données. Les détails techniques sont exposés dans l'ouvrage « Ultra-Cold Neutrons » de Golub, Richardson et Lamoreaux [4].
Rotation de spin du neutron violant la parité
Mario Forte, en Italie, avait construit un dispositif destiné à rechercher une rotation de spin du neutron violant la parité [5] lors de son passage à travers la matière solide. Ramsey soutenait cette idée avec enthousiasme et fit en sorte que le dispositif de Forte soit expédié à l'ILL, pour y être exploité par certains de ses étudiants (G. Greene fut post-doctorant sur cette expérience, nommée S43 et installée sur le tube de guide H142). Cela lança une ligne de recherche qui reste active aujourd'hui.
Outre les souvenirs de Geoff Greene sur cette expérience, je me souviens d'un incident concernant les échantillons d'étain isotopiquement purs. Oak Ridge affirmait que l'échantillon retourné était de l'étain naturel, et que l'échantillon isotopique pur avait en quelque sorte disparu. Il est probable que les échantillons aient été mélangés par erreur. À un moment, Norman craignit qu'on ne lui demande de payer pour l'isotope perdu, ce qui était bien sûr impossible. Je ne sais pas comment l'affaire a été résolue, mais il n'a finalement pas eu à payer.
En compagnie de Norman
C'était toujours un vrai plaisir, et très stimulant, de passer du temps en compagnie de Norman. Il avait tant de centres d'intérêt et d'expériences derrière lui qu'il avait toujours quelque chose de nouveau à raconter. Il avait siégé au comité chargé d'enquêter sur l'assassinat de Kennedy, et avait travaillé sur le projet Manhattan. Il existe une photo de lui debout à côté de la bombe atomique, sur l'île du Pacifique d'où elle fut lancée. Autant que je m'en souvienne, il n'a jamais parlé de son travail sur le projet Manhattan [5], mais il nous a bien parlé du comité sur l'assassinat de Kennedy. Il était convaincu, sur la base des preuves matérielles, que tous les coups de feu avaient été tirés depuis la même position.
Il avait une voix retentissante [6]. Une fois, un groupe d'entre nous était allé au restaurant à Grenoble, sous la neige. Je ne me souviens plus des détails, mais il s'est avéré que j'avais proposé de ramener Norman et sa femme, qu'il venait d'épouser, à leur hôtel — non sans les avoir prévenus qu'il n'y avait pas de banquette arrière dans ma Citroën DS, que j'avais retirée pour transporter des livres. En chemin vers ma voiture, nous nous sommes retrouvés séparés, et j'ai entendu la voix retentissante de Norman, venue d'une demi-rue plus loin, dire à sa femme : « J'ai une confiance absolue en Bob ; s'il dit qu'il n'y a pas de banquette arrière, c'est qu'il n'y a pas de banquette arrière. »
Une autre fois, nous étions tous à une soirée mondaine, et la conversation entre les dames avait tourné à la mode. Norman intervint alors, avec le plus grand sérieux, en déclarant qu'il préférait la « salopette de travail Sears Roebuck », parce qu'elle avait beaucoup de poches pour les outils.
La première expérience de mesure du nEDM par neutrons ultra-froids
Lorsque nous construisions la première expérience de mesure du nEDM par neutrons ultra-froids (UCN-nEDM), il m'arrivait souvent de me plaindre que tel ou tel matériau était incompatible avec un bon vide. La réponse habituelle, venant je crois de John Morse, était : « Il y a déjà tellement de merde là-dedans qu'un peu plus n'y changera rien. » J'ai fini par confectionner une affiche reprenant cette phrase, découpée en lettres de polices différentes, façon lettre de rançon, et je l'ai collée sur l'appareil une nuit, m'attendant à ce qu'on y voie une simple plaisanterie. Le lendemain matin, tout le monde savait que c'était moi qui l'avais fait, et Norman parut particulièrement contrarié, faisant une remarque du genre : « Il faudrait l'enfermer là-dedans, lui (moi). »
Il y eut aussi un incident, lors d'une campagne de mesures ultérieure de l'expérience nEDM, où l'un de nos post-doctorants proposa une méthode d'analyse de données peu orthodoxe, qui donnait un résultat non nul pour l'EDM du neutron — un résultat sensationnel s'il s'était avéré exact. Le seul problème était que la valeur observée du nEDM variait avec le temps. Les implications de cette méthode sous-entendaient que le bruit d'un signal pouvait être réduit en deçà des limites conventionnelles fixées par le temps d'observation, ce qui était évidemment (du moins à mes yeux) faux. Norman n'en resta pas moins un fervent défenseur de cette méthode, jusqu'à ce qu'une recherche bibliographique révèle une explication physique à ces résultats erronés.
Certains problèmes surgirent également lorsque la collaboration nEDM préparait sa première publication. Ramsey s'opposait fermement à ce qu'on fasse référence à la thèse de l'un des doctorants du Sussex. Par ailleurs, la première version avait omis de citer les auteurs à l'origine de l'effet « v croix E ». Lorsque je suggérai, dans un commentaire écrit, que nous devrions faire référence aux auteurs originaux de cet effet, il répondit en substance : « Je ne sais pas de qui Golub veut parler. Devrions-nous citer Maxwell ou Einstein ? » — sachant pertinemment que personne dans le domaine de l'EDM n'avait connaissance de cet effet avant les travaux de Sandars et Lipworth. Bien que cela puisse sembler un détail mineur dans l'ensemble, je pense qu'il vaut la peine d'être mentionné.
Prix Nobel
Après avoir reçu le prix Nobel, Ramsey utilisa généreusement la moitié de la somme pour offrir des calculatrices programmables HP (les plus avancées et les plus chères de l'époque) à tous ses anciens collègues et collaborateurs.
À l'époque, il était de notoriété publique que Ramsey avait reçu son prix Nobel pour ses décennies de travail sur le nEDM, mais comme le nEDM n'avait pas été découvert, il ne pouvait pas être cité comme motif officiel du prix — la méthode des champs oscillants séparés ayant alors été retenue en guise de substitut. Le fait que le maser à hydrogène, une réalisation pourtant bien plus significative, n'ait pas été mentionné va d'ailleurs dans le sens de cette interprétation.
Notes
[1] Bob Golub was at the University of Sussex, England, when he came to the ILL in 1972 for the development of a Ultra Cold Neutron (UCN) source and for the search of an Electric Dipole Moment (EDM) of the neutron. In 1980 he moved to the Technical University Munich (T. U. M.), in Germany and continued his work at ILL where he constructed the first superthermal UCN source based on superfluid <sup>4</sup>He and invented a new kind of neutron scattering method to study properties of the superfluid. He also co-invented the Neutron Resonance Spin Echo technique with Roland Gähler.
[2] The neutron is made of three quarks with negative and positive fractional electric charges the sum of which is zero and, hence, the neutron is electrically neutral to the outside. However, if negative and positive charge distributions inside the particle do not coincide the neutron would exhibit a non zero - but incredibly small - Electric Dipole Moment (EDM). Current theories say that this can only occur if both parity symmetry (P) and time reversal symmetry (T) are violated, and this is also one of the necessary conditions to explain the observed matter anti-matter asymmetry of our Univers. That’s why, since Ramsey’s first EDM experiment, scientists are working so hard to try to observe the EDM of the neutron.
[3] Most solide state physics spectrometers use hot to cold neutrons (temperature: 1500K to 2,5K, wavelength: 2,5Å to 20Å) but Ultra Cold Neutrons (temperatures < 0.001K, wavelength > 800Å) are much praised for particle physics due to their very special properties. E.g., as photons are reflected by mirrors, UCNs are reflected by material surfaces under any angle and cannot cross them. Thus they can be stored in bottles which gives particle scientists the possibility to measure their properties for a very long time. This bottle storage is todays best technique to measure the neutron lifetime (about 15 minutes), a crucial parameter to current particle physics theories and to explain the isotope abundance of the Universe.
[4] The magnetic moment gives the magnetic strength and orientation of an object that produces a magnetic field. The neutron has a magnetic moment and hence behaves as a tiny compas sensitive to its magnetic environment. The accurate knowledge of the magnitude of this magnetic moment is crucial to the many solid state physics and fundamental physics experiments and techniques where magnetism is involved.
[5] It was initially assumed that an experiment conducted in a mirror should be the same one conducted in our world. Norman Ramsey was the first to check that at the particle level by searching for an Electric Dipole Moment (EDM) of the neutron which can only exist if that symmetry does not exist (parity violation).
Références
1- Norman Ramsey (1998) Spectroscopy with Coherent Radiation, World Scientific. DOI : 10.1142/3581
2- Ramsey, N. F., Molecular Beams, Oxford University Press (première édition 1956, réimprimé en 1986).
3- Sandars P. G. H. et Lipworth E. (1964) Phys. Rev. Lett. 13, 718-20.
4- « Ultra-Cold Neutrons » par Golub, Richardson et Lamoreaux (1991), éd. Taylor and Francis, p. 203.
5- « On avait demandé à Norman de participer au projet Manhattan, à Los Alamos. C'était probablement le seul sujet dont il n'aimait pas parler. » (2022) Communication privée de Roland Gähler.
6- « Nous l'avions invité à dîner chez nous, à Meylan, à quelques reprises — il remplissait toute la maison de sa voix grave et sonore. Un soir, il demanda à Katie une aiguille et du fil sombre. Il n'était venu en France qu'avec un seul pantalon, et celui-ci s'était troué alors qu'il travaillait sur l'EDM à l'ILL. Il refusa toute aide et le répara lui-même. Norman avait grandi dans un milieu modeste. » (2022) Communication privée de Roland Gähler.