Le Nobel, le boson et les journaux télévisés

François Englert et Peter Higgs. Prix Nobel de physique 2013

François Englert et Peter Higgs. Prix Nobel de physique 2013

Ce mardi 8 octobre à 11h45, on retenait son souffle dans l’attente de l’annonce du ou des lauréats du prix Nobel de physique 2013. Le suspense a duré une heure de plus, le comité ayant décidé de jouer avec nos nerfs en retardant  l’instant de vérité.  Les hypothèses ont alors fusé sur Twitter pour expliquer ce contretemps : le CERN aurait menacé de créer un trou noir avec le LHC s’il n’obtenait pas le prix, les débats du comité auraient dévié sur la véracité scientifique du film « Gravity », ou encore, lors de l’ouverture de l’enveloppe contenant le nom du vainqueur, le jury aurait trouvé le chat de Schrödinger. Mais à 12h45, le verdict tombait : Peter Higgs et François Englert étaient les nouveaux prix Nobel de Physique  pour avoir postulé l’existence du boson de Brout-Englert-Higgs.

Le boson de Higgs, vous vous rappelez ? C’était la pièce manquante qui parachève le modèle standard de la physique des particules. Celle qui explique pourquoi toutes les autres particules élémentaires ont une masse. Le CERN l’avait déniché après une traque de 40 ans , caché dans les données statistiques récoltées par le gigantesque collisionneur de Hadron (LHC) à Genève. Pour vous (ra)fraîchir la mémoire voici un bel article et une jolie animation.

Cependant, le traitement médiatique du Nobel, présenté comme le Graal du chercheur, interroge. Chaque première semaine d’octobre,  les JT font leur sujet scientifique de l’année lors de l’annonce des prix Nobel, qui sont, en quelque sorte, les « miss France de la science ». A ceci près qu’ils sont souvent âgés, majoritairement de sexe masculin, et rarement vêtus de maillot de bain. A défaut d’écharpe, les lauréats reçoivent l’auréole immatérielle que confère le statut de génies humains. Par contre, le temps de parole dans les médias généralistes est la plupart du temps aussi court pour les vedettes scientifiques que pour les égéries esthétiques. Voire plus court.  Et parfois, réduit à néant.

Ainsi, mardi 8 octobre, aucune mention du prix Nobel de physique dans le 20 heure de TF1. France 2 fait mieux avec un sujet. Premier problème : la personne qui apparaît à l’écran lorsque David Pujadas parle de Peter Higgs…n’est pas Peter Higgs : c’est Rolf Heuer, le directeur général du CERN.  Le présentateur décrit alors le boson comme « la clef de voûte de la structure de la matière » puis s’empresse d’ajouter que c’est « un peu abstrait ». Que faire pour en parler « concrètement » ? Va-t-on entendre un des prix Nobel nous expliquer ses travaux ? Non, voyons. Entendre un physicien parler, c’est la prise de tête assurée. Alors on fait parler un journaliste. Et c’est David Lefort qui s’y colle. Pour sa première intervention en direct, le voilà face à un challenge : expliquer le boson de Higgs en 30 secondes chrono. Autrement dit, mission impossible.

Pour revoir ce sujet de France 2 (désolé pour la piètre qualité audio) :

David Lefort ne démérite pas et opte pour la description de type « poupées russes ». Il part d’un objet « concret », un gobelet, qui est constitué de matière, elle-même formée de molécules, qui sont composées d’atomes. Là le journaliste ajoute «vous le savez », comme pour se faire pardonner d’aller si vite. Puis il reprend sa plongée effrénée dans l’infiniment petit : les atomes ont un noyau, fait de protons et de neutrons. Surgi alors à l’écran une petite bille présentée comme un proton. Et à l’intérieur du proton, il y a des quarks et « un nuage de gluons ». Là, on ne s’arrête plus pour dire que le spectateur le sait déjà. Surtout qu’il ne reste plus que 10 secondes. Vite l’explication : ces particules ne flotteraient pas dans le vide mais dans « la neige ». Chaque flocon de cette neige serait un boson de Higgs. Et de la même manière que les traces que vous laissez dans la neige sont des empreintes de votre existence physique, de votre masse, le boson de Higgs est le flocon qui donne à la matière sa masse donc son existence réelle. Rien que ça.

Au final, l’explication est truffée de raccourcis qui peuvent induire en erreur tout en restant abstraite.  La métaphore de la neige n’est pas mauvaise, elle a même été plusieurs fois reprise par les médias dans l’animation que j’ai mentionnée plus haut mais aussi par les physiciens comme John Ellis :

Dans le journal de France 2, cette métaphore n’est cependant pas assez explicitée pour que le profane en retire quoique ce soit. Plus dérangeant, l’explication de type « poupées russes » pousse à croire que le boson de Higgs est un minuscule morceau de matière contenu dans le noyau. Or ce n’est pas le cas. D’une part le « champ de neige » n’est pas limité au noyau mais s’étend dans tout l’univers, d’autre part, les « bosons-flocons » n’existent pas naturellement autour de nous. Il faut « faire vibrer » le champ de neige, comme on fait vibrer la surface d’un lac en jetant une pierre dedans, pour créer un boson de Higgs. Et cela demande une telle énergie qu’il a fallu construire le plus grand collisionneur de particules à l’heure actuelle : le LHC au CERN. Mais voilà, ce n’est ni court, ni concret.

A noter que France 2 avait déjà fait quasiment le même sujet lors de l’annonce par le CERN de la découverte du boson de Higgs en juillet 2012 :

Loin de moi l’idée de jeter la pierre à David Lefort, qui fait avec les contraintes de la télé. Je doute qu’on puisse faire mieux dans de telles conditions. Je rêve simplement du jour où la science, y compris la plus fondamentale, ne sera plus un sujet tabou sur le petit écran. On parlera alors de la recherche comme elle se fait, avec ses avancées mais aussi ses atermoiements, ses échecs, comme on parle de culture à longueur d’émissions. Et non simplement par le prisme déformant des prix Nobel. Je sais, j’aime les utopies « abstraites ».

Observer les photons sans les détruire

Quantum 2010: Haroche

Serge Haroche (Photo credit: Giorgio Brida)

Les photons sont comme des coureurs de Marathon. Les particules de lumière parcourent l’espace pendant des milliers, voire des millions d’années depuis les étoiles. Puis les voilà qui percutent notre rétine et qui disparaissent. Pour donner naissance à un signal interpréter par notre cerveau. Une image. Le photon meurt alors en livrant son message. Pourtant ce sort n’est pas une fatalité. Les lois de la mécanique quantique autorisent en théorie une observation non destructrice des photons.  C’est une des choses qu’ont mis en pratique Serge Haroche et son équipe du laboratoire Kastler Brossel de l’Ecole normale supérieure.

Un photon piégé en cavité

  Il faut d’abord capturer un photon. Tache ardue car si le photon peut survivre presque éternellement quand il voyage à travers l’espace, dans une boîte il se cogne très rapidement aux parois dans lesquelles il est absorbé. Il faut donc le mettre entre deux miroirs contre lesquels il va rebondir : une cavité. L’équipe de Serge Haroche a utilisé pour cela du cuivre traité au niobium. Ce matériau est refroidi à environ -272 ° Celsius, c’est-à-dire 0,8 degré au-dessus du zéro absolu (brrr !). Dans ces conditions le niobium devient supraconducteur, ce qui signifie ici qu’il devient ultra-réfléchissant…aux micro-ondes.  Car un photon n’est pas forcément visible, c’est une particule du rayonnement électromagnétique qui va des ondes radio aux radiations nucléaires. Maintenant comment mettre un photon dans la cavité ? Deux solutions : soit on « branche » une source micro-onde (à peu près la même qui se trouve dans votre four) pendant un bref instant, et on obtient alors dans la cavité un petit champ électromagnétique contenant quelques photons. Soit on attend. Même à -272°C, la température est suffisante pour qu’un photon soit généré « thermiquement » de temps en temps au sein de la cavité. Le photon est ainsi « piégé ». Il peut rebondir environ 1,3 milliards de fois avant d’être absorbé par les miroirs. Cela ne lui prend que quelques millisecondes mais cela est suffisant pour qu’il parcoure une distance équivalente à la circonférence de la Terre ! Cela laisse également assez de temps aux expérimentateurs pour l’observer…

Des atomes pour témoigner

Seulement comment « voir » dans la cavité ? Si les chercheurs mettaient leurs yeux, ils ne verraient rien car il n’y a que très peu de photons, qui de plus sont à une longueur d’onde micro-onde donc  invisibles. Et surtout ils le détruiraient ! Même chose avec un autre appareil détecteur. Il faut donc agir indirectement. Les scientifiques vont alors utiliser des atomes de rubidium. Le rubidium est apprécié par les physiciens car on peut assez facilement le préparer dans un état d’énergie déterminé grâce à des faisceaux lasers. Les atomes sont ensuite envoyés un par un pour traverser la cavité perpendiculairement au trajet des photons. L’expérience est faite « hors résonance ». Cela veut dire que l’énergie des photons et l’énergie de transition des atomes sont légèrement décalées, ce qui rend impossible l’absorption d’un photon par un atome. Ainsi le nombre de photon n’est pas modifié par l’atome. Par contre l’interaction entre les photons et l’atome va subrepticement perturber ce dernier. L’atome va cependant poursuivre son chemin et être détecté  après la cavité. Par des mesures précises (et complexes) les chercheurs peuvent quantifier la perturbation subie par les atomes. Elle est proportionnelle au nombre de photons qui se trouvent dans la cavité.  Les atomes envoyés spéciaux ont fourni le message des photons sans les détruire.

Schéma simplifié du montage expérimental. Crédits : S. Gleyzes, …, M. Brune, J.-M. Raimond, S. Haroche, Nature 446, 297 (2007)

Mais…à quoi ça sert ?

L’équipe de Serge Haroche a réalisé bien d’autres expériences avec ce montage expérimental : des états intriqués, des états de type « chat de schrödinger » où l’atome se retrouve dans une superposition de deux états différents, étudier leur « décohérence » (c’est-à-dire essayer de comprendre pourquoi des trucs aussi bizarres n’existent pas à notre échelle), etc.  Bref, à la question « à quoi ça sert » il y a deux réponses possibles :

-celle du physicien : « parce que manipuler des systèmes quantiques individuels permet de réaliser les expériences de pensée que les pères de la mécanique quantique ne faisaient que dans leur tête. Et parce que cela permet de tester les principes fondamentaux de cette théorie ». On peut traduire plus simplement cette réponse par : « Parce que c’est trop kiffant quoi ! »

-celle politiquement (et journalistiquement) correcte : « parce que cela est une avancée vers l’ordinateur quantique, qui sera une machine surpuissante capable de réaliser des choses inédites ». On peut traduire cette réponse par : « Parce dans notre système capitaliste il faut bien vous vendre quelque chose afin d’avoir de l’argent pour mes recherches ».

Ces deux réponses sont légitimes et enthousiasmantes. L’ordinateur quantique est en effet une possibilité théorique. Beaucoup de progrès ont été fait dans ce sens et il mériterait un billet à lui tout seul.  En tous cas, selon le comité Nobel, Serge Haroche et David Wineland «  ont ouvert la voie a une nouvelle ère d’expérimentation de la physique quantique en faisant la démonstration de l’observation des particules quantiques individuelles sans les détruire».  Il ne faudrait pas oublier les générations de thésards et de post-doctorants qui se sont succédé dans ses équipes et qui travaillent dans l’ombre (l’expérience de Serge Haroche a débuté vers 1990).  Les marathoniens, ce sont aussi eux.

Pour en savoir plus, le site de l’équipe de Serge Haroche au laboratoire Kastler-Brossel: http://www.cqed.org