Père de la détection des neutrinos solaires, Raymond Davis Jr (1914–2006)
Biographique Raymond Davis Jr. (1914-2006) ; Le prix Nobel de physique 2002
Son influence précoce m’a conduit vers l’expérimentation individuelle et la conception de mon propre appareil. Ma mère, Ida Rogers Younger, était originaire de l’État de Virginie. Elle m’a appris à apprécier la musique, bien qu’elle n’ait jamais réussi à faire de moi un interprète. C’est pour lui plaire que j’ai passé plusieurs années comme enfant de chœur, malgré mon incapacité à porter un air. Un peu plus tard dans la vie, j’ai pris plaisir à assister à des concerts en plein air au Watergate, à l’époque où le trafic aérien ne devenait pas assez lourd pour noyer la musique.
Mon compagnon d’enfance était mon frère Warren, mon cadet de seulement 14 mois. Ensemble, nous avons joué à des jeux de rue les soirs d’été, pagayé en canoë sur le Potomac et, après ma libération de la chorale, passé de nombreux week-ends à tirer avec notre père. Au lycée et au collège, j’ai récolté un certain nombre de médailles pour l’adresse au tir, mais j’ai depuis longtemps abandonné cette activité, ayant conclu que le monde serait un meilleur endroit avec moins de tireurs d’élite.
J’ai fait mes études dans les écoles publiques de Washington et j’ai fréquenté l’Université du Maryland en tant qu’étudiant externe, obtenant en 1938 un diplôme en chimie. Après avoir travaillé pour la Dow Chemical Company à Midland, dans le Michigan, pendant un an, je suis retourné à l’Université du Maryland pour obtenir une maîtrise, avant d’aller à Yale pour poursuivre un doctorat. En 1942, j’ai obtenu mon doctorat. en chimie physique, et entra immédiatement dans l’armée comme officier de réserve. La plupart de mes années de guerre ont été passées à Dugway Proving Ground dans l’Utah, à observer des tests d’armes chimiques et, pendant mes heures libres, à explorer et photographier le territoire environnant, qui comprenait le Grand Lac Salé et les preuves géologiques de son prédécesseur beaucoup plus grand, le lac Bonneville.
Comme il s’agissait d’une communauté balnéaire, j’ai décidé de construire mon propre voilier. Cette idée était méprisée par la plupart de mes connaissances mais, avec l’aide d’Anna, j’ai construit un sloop de 21 pieds, le Halcyon, qui a donné à notre famille de nombreuses années de plaisir. Aujourd’hui aux mains de son troisième propriétaire, l’Halcyon navigue toujours dans la Grande Baie du Sud. Anna et moi nous sommes mariés à la fin de 1948 et, au cours des quinze années suivantes, cinq enfants nous sont nés : Andrew, un scientifique principal à l’Université de Chicago qui étudie les météorites pour en savoir plus sur les étoiles et l’histoire des débuts du système solaire, vit à River Forest, Illinois; Martha Kumler, tutrice privée d’élèves du secondaire, vit à Honeoye Falls, New York ; Nancy Klemm, femme au foyer et restauratrice de fenêtres dans de vieilles maisons, vit à Webster Groves, Missouri ; Roger, un technicien en mécanique travaillant sur le collisionneur d’ions lourds relativistes au laboratoire national de Brookhaven, vit à Center Moriches, New York ; et Alan, ingénieur chez Boeing, vit à Seattle, Washington. Parmi eux, ils nous ont donné onze petits-enfants. Nous vivons dans la même maison, à Blue Point, New York, depuis plus de cinquante ans.
Mon premier acte, en arrivant à Brookhaven, fut de me présenter au président du département de chimie, Richard Dodson, et de lui demander ce que j’étais censé faire. À ma grande surprise et ma plus grande joie, on m’a conseillé d’aller à la bibliothèque, de lire un peu et de choisir un projet personnel, selon ce qui me plaisait. Ainsi a commencé une longue carrière à faire exactement ce que je voulais faire et à être payé pour cela. Dans la bibliothèque, j’ai lu un article de synthèse de 1948 par HR Crane dans Reviews of Modern Physics qui m’a amené à décider d’une expérience en physique des neutrinos, un domaine dans lequel on en savait peu à l’époque, et qui semblait bien adapté à mon parcours. en chimie physique.
Dans les premières expériences, j’ai tenté de détecter les neutrinos d’un réacteur, en utilisant la méthode de détection chlore-argon proposée par Bruno Pontecorvo (en 1946). Dans cette méthode, un atome de 37 Cl réagit avec un neutrino pour former un 37Ar atome. L’argon est un gaz rare et il est facile de le séparer chimiquement d’une grande quantité de solvant riche en chlore. Il est radioactif avec une demi-vie de 35 jours et peut être compté avec un compteur proportionnel rempli de gaz. Une première tentative, exposant un réservoir de 1000 gallons de tétrachlorure de carbone au Brookhaven Graphite Research Reactor, n’a détecté aucun signal, car le flux de neutrinos dans ce réacteur était trop faible pour affecter une cible de cette taille. De plus, un réacteur émet des antineutrinos, et la méthode Pontecorvo ne détecte que des neutrinos. On ne savait pas à l’époque que les deux particules n’étaient pas identiques. Plus tard, j’ai construit de plus grandes expériences, en utilisant l’un des réacteurs de Savannah River comme source de neutrinos. J’ai finalement fixé une limite au flux de neutrinos qui était d’un facteur 20 en dessous du flux d’antineutrinos mesuré par Reines et Cowan dans leur élégante expérience qui a valu à Fred Reines son prix Nobel.
D’autres intérêts précoces comprenaient le développement, avec Oliver Schaeffer, d’une méthode de datation géologique utilisant le 36 Cl dans les roches de surface. Avec l’avènement ultérieur de la spectrométrie de masse par accélérateur, celle-ci est devenue un outil utile en géochimie, mais nos techniques de comptage n’étaient pas assez sensibles pour que la méthode fonctionne. Nous nous sommes tournés vers la mesure de 36 Cl dans les météorites. La mesure de la radioactivité 36 Cl et du produit de désintégration total accumulé, 36 Ar, dans une météorite nous a permis de déterminer combien de temps la météorite avait été exposée dans l’espace. Notre intérêt pour les âges d’exposition aux météorites s’est poursuivi pendant de nombreuses années. Nous avons également travaillé sur la mesure de la production de rayons cosmiques de 37 Ar et 39Ar dans une variété de météorites fraîchement tombées. Notre plus grand succès dans ce travail a été avec la météorite Lost City. La trajectoire de cette météorite a été photographiée lors de sa chute, permettant de déterminer son orbite. Notre mesure des isotopes radioactifs de l’argon nous a permis de déduire le gradient d’intensité des rayons cosmiques dans le système solaire interne. À l’époque des alunissages, j’ai participé à la mesure de 37 Ar, 39 Ar, tritium et 222Rn dans les roches lunaires et dans l’atmosphère lunaire (pris au piège dans les caissons de roches ramenés par les astronautes). Pendant le traitement des échantillons d’Apollo 12, l’une des boîtes à gants à Houston a fui et j’ai eu l’expérience intéressante d’être mis en quarantaine avec les astronautes et quelques autres scientifiques malchanceux pendant deux semaines jusqu’à ce qu’il soit clair que nous n’étions infectés par aucune maladie lunaire.
Après les expériences de Savannah River, j’ai commencé à penser à détecter les neutrinos du Soleil. La première étape était une expérience pilote située à 2 300 pieds sous terre dans la mine de calcaire de Barberton, près d’Akron, dans l’Ohio. L’observation des neutrinos du Soleil avait le potentiel de tester la théorie selon laquelle les réactions de fusion hydrogène-hélium sont la source de l’énergie du Soleil. Dans les années 1950, cependant, la chaîne de réactions proton-proton était considérée comme la principale source de neutrinos, mais cette chaîne n’émettait que des neutrinos de faible énergie, en dessous du seuil de la réaction chlore-argon.
Une nouvelle mesure de la réaction nucléaire 3 He+ 4 He g 7 Be+ gpar Holmgren et Johnston en 1958, ont suggéré que l’une des réactions terminales de la chaîne proton-proton produirait des neutrinos énergétiques qui pourraient être mesurés par la méthode radiochimique chlore-argon. Encouragé par ces développements, et avec le soutien du Laboratoire national de Brookhaven et de la Commission de l’énergie atomique des États-Unis, j’ai construit une expérience beaucoup plus vaste dans la mine d’or Homestake à Lead, dans le Dakota du Sud. Le détecteur lui-même consistait en un réservoir de 100 000 gallons rempli de perchloroéthylène, un solvant le plus couramment utilisé pour le nettoyage à sec des vêtements. L’expérience était située à près d’un mile sous terre, au niveau de 4850 pieds de la mine. Initialement, nous n’avons observé aucun signal de neutrino solaire et avons exprimé nos résultats uniquement sous forme de limites supérieures. Les perfectionnements ultérieurs de la technique et, en particulier, des méthodes de comptage, se sont poursuivis au fil des ans, produisant un signal de neutrino solaire d’environ un tiers du flux attendu du modèle solaire standard calculé par John Bahcall. Ce fut la genèse du soi-disant «problème des neutrinos solaires».
Le problème des neutrinos solaires a provoqué une grande consternation parmi les physiciens et les astrophysiciens. Mon opinion dans les premières années était que quelque chose n’allait pas avec le modèle solaire standard ; de nombreux physiciens pensaient que quelque chose n’allait pas avec mon expérience. Des années de mesures ont produit des réponses cohérentes et de nombreux tests ont montré qu’il n’y avait aucun problème avec les procédures expérimentales. De nombreux physiciens distingués ont suggéré des explications au faible flux de neutrinos solaires qui semblent maintenant fantaisistes. Trevor Pinch, un sociologue, a fait une étude sur la façon dont les scientifiques ont répondu au problème des neutrinos solaires. Le désaccord entre le flux de neutrinos solaires mesuré et celui prédit par le modèle solaire standard a été confirmé pour l’énergétique 8les neutrinos B par l’expérience Kamiokande II à la fin des années 1980 et pour les neutrinos pp de plus basse énergie par les expériences gallium GALLEX et SAGE au milieu des années 1990. 
Ce n’est que récemment que des observations à l’Observatoire de neutrinos de Sudbury (SNO) dans la mine de nickel Inco à Sudbury, Ontario, Canada, ont indiqué qu’effectivement, le nombre total de neutrinos solaires émis est conforme à la prédiction standard du modèle solaire, mais que les deux tiers des neutrinos se transforment au cours de leur voyage vers la Terre en d’autres saveurs ( neutrinos m et t ), un phénomène connu sous le nom d’oscillation des neutrinos. Seuls les neutrinos électroniques peuvent être détectés avec la méthode radiochimique Cl-Ar. J’ai pris ma retraite de Brookhaven en 1984, mais je n’étais pas prêt à abandonner la mesure des neutrinos solaires, car je pensais qu’il était important que l’expérience Homestake mesure le flux de neutrinos solaires en même temps que les nouvelles expériences sur les neutrinos solaires. J’ai transféré l’administration de l’expérience Homestake à l’Université de Pennsylvanie et j’y ai été professeur de recherche depuis lors. L’expérience a continué à mesurer le flux de neutrinos solaires jusqu’à la fin des années 1990, lorsque la mine Homestake a cessé ses activités.
Pendant ce temps, à ma grande surprise, un tout nouveau domaine de la physique des neutrinos s’est développé dans des directions que je n’aurais jamais imaginées à l’époque de Homestake.
Récompense
Prix Boris Pregel, Académie des sciences de New York, 1957
Prix Cyrus B. Comstock, Académie nationale des sciences des États-Unis, 1978
Prix de l’American Chemical Society pour les applications nucléaires en chimie, 1979
Prix Tom W. Bonner, Société américaine de physique, 1988
Docteur honoraire en sciences, Université de Pennsylvanie, 1990
W. Prix W. K. H. Panofsky, Société américaine de physique, 1992
Prix Beatrice M. Tinsley, Société américaine d’astronomie, 1995
Prix George Ellery Hale, Société américaine d’astronomie, 1996
Docteur honoraire en sciences, Université Laurentienne, 1997
Prix Bruno Pontecorvo, Institut commun de recherche nucléaire, Dubna, Russie, 1999
Prix Wolf, 2000
Docteur honoraire en sciences, Université de Chicago, 2000
U. Médaille nationale des sciences des États-Unis, 2001
Prix Nobel de physique, 2002
Affiliation au moment de l’attribution : Université de Pennsylvanie, Philadelphie, PA, États-Unis
Motivation du prix : « pour des contributions pionnières à l’astrophysique, en particulier pour la détection des neutrinos cosmiques »
Ses travaux : Dans certaines réactions nucléaires (comme lorsque les protons se combinent pour former des noyaux d’hélium), des particules insaisissables appelées neutrinos sont créées. Raymond Davies voulait détecter les neutrinos dans le rayonnement de l’espace pour confirmer la théorie selon laquelle ce type de réaction nucléaire est la source de l’énergie solaire. À partir des années 1960, il a placé un grand réservoir contenant un liquide riche en chlore à l’intérieur d’une mine. Dans de rares cas, un neutrino a interagi avec un atome de chlore pour former un atome d’argon. En comptant ces atomes d’argon, les neutrinos de l’espace pourraient être détectés.
Père de la détection des neutrinos solaires, Raymond Davis Jr (1914–2006)
Raymond Davis Jr. (1914-2006) : Raymond Davis Jr. était professeur de recherche en astronomie à l’Université de Pennsylvanie (1984–2001). D’autres affiliations institutionnelles incluent le Laboratoire national de Brookhaven. Ses intérêts de recherche couvraient la chimie, la physique et l’astrophysique. Il a reçu le prix Nobel en 2002 avec Masatoshi Koshiba.
Pendant 30 ans, Ray Davis aurait pu être confondu avec un mineur. Vêtu d’un casque de sécurité, d’une lampe frontale et d’une ceinture de batterie, il rejoindrait 50 autres « premiers leviers de vitesse » pour une balade avant l’aube d’un mile dans la Terre. Un labyrinthe de tunnels chauds et faiblement éclairés a accueilli les coureurs, mais Davis connaissait son chemin, l’ayant retracé quelque 700 fois. Tournant à droite, il se dirigea vers le tunnel avec les lumières brillantes. Au bout, sous ces lumières, se trouvait un réservoir de 380 000 litres. C’est là qu’il a fait son exploitation minière. Tandis que ses compagnons sablaient des tonnes de granit à la recherche d’or, Davis a passé au crible 600 tonnes de liquide de nettoyage pour une douzaine d’atomes spéciaux – beaucoup plus intéressants pour lui que l’or.
Sa tâche était la plus difficile. Aucun ingénieur minier n’accepterait le pari – trouver 10 atomes dans une mer de 10 31 – et aucun travailleur d’un tiers de son âge ne voudrait suivre le rythme. Il passait 15 heures par jour sous terre chaque fois qu’il venait à Homestake et, par conséquent, ne voyait souvent pas le Soleil. Cependant, si vous lui posiez la question, il rirait, afficherait un large sourire et dirait : « Je regarde le Soleil tout le temps ! Ray Davis, décédé le 31 mai, observait en effet le Soleil d’une manière nouvelle et intéressante depuis 1967. Ce faisant, il a contribué à découvrir quelque chose d’inattendu en physique des particules. 
Davis a également commencé ses travaux sur les neutrinos dans les réacteurs. Il avait obtenu un doctorat à Yale, servi dans l’armée pendant la guerre et travaillé brièvement comme radiochimiste à Monsanto, avant de rejoindre le nouveau laboratoire national de Brookhaven en 1948 – sa maison pendant les 37 prochaines années. Lorsqu’il a demandé au directeur du département de chimie sa mission, on lui a dit d’aller à la bibliothèque et de trouver quelque chose d’intéressant sur lequel travailler. 
Il a fait. Un article de synthèse sur les neutrinos a attiré son attention, tout comme une note technique de Bruno Pontecorvo. Pontecorvo a proposé un moyen de détecter les neutrinos à l’aide d’un liquide contenant du chlore. L’idée était qu’un neutrino serait capturé sur un isotope particulier du chlore ( 37 Cl), le transformant en un atome d’argon radioactif ( 37Ar), qui pourrait être retiré du liquide et compté. Davis a étoffé le schéma, développant le matériel d’extraction, de traitement des gaz et de comptage nécessaire pour le faire fonctionner. Il a construit un détecteur de 3 800 litres et a recherché la production d’argon aux réacteurs de Brookhaven et de Savannah River. Il n’en trouva aucun – non pas à cause d’échecs expérimentaux, mais à cause de sa nouvelle découverte selon laquelle les neutrinos et les antineutrinos étaient différents – du moins en ce qui concerne la capture sur 37 Cl. En 1960, il a commencé à réfléchir à un défi plus grand : détecter les neutrinos du Soleil.
Un problème est survenu presque immédiatement lorsque les données ont commencé à arriver. Les mesures de Davis représentaient environ un tiers de la prédiction de Bahcall. Malgré des calculs plus raffinés et davantage de données, l’écart persiste. Surnommé le «problème des neutrinos solaires», il a persisté pendant 20 ans. Davis et son expérience sont restés dans le collimateur tout le temps. Il a été défié à plusieurs reprises – sur l’efficacité, les pièges chimiques, les changements de pompe, etc. – mais il a fait face à tous les questionneurs avec sa franchise, sa gentillesse et son esprit. Il a apporté une précision technique et une minutie à ses réponses, racontant les nombreux tests quantitatifs minutieux qu’il avait effectués pour répondre à chaque préoccupation. Il avait une profonde humilité, mais aussi une confiance tranquille dans ses compétences expérimentales – qui étaient formidables.
À partir de la fin des années 1980, d’autres expériences ont été mises en ligne. Ils ont confirmé le problème. En fin de compte, un détecteur polyvalent au Canada l’a résolu, montrant que ni le calcul de Bahcall ni l’exploitation minière de Davis ne s’étaient trompés. Au lieu de cela, les neutrinos du Soleil changeaient de « saveur » en route vers la Terre. Ce résultat inattendu signifiait que les neutrinos, autrefois considérés comme sans masse, en avaient nécessairement – une découverte qui a nécessité une révision du modèle standard de la physique des particules et a donné à ces mystérieux messagers une masse égale à toute la matière visible de l’Univers.
En 2002, Davis a remporté le prix Nobel de physique. Sa femme de 54 ans, Anna, et 21 autres Davis l’ont accompagné à Stockholm. Alors âgé de 88 ans et luttant contre la maladie d’Alzheimer, Ray a reçu un honneur supplémentaire. Le protocole Nobel exige généralement que chaque récipiendaire se rende au centre de la scène pour recevoir son prix. Cependant, à cette occasion, le roi de Suède est venu en personne à un lauréat. L’or que Davis n’avait jamais cherché, jamais extrait, l’a trouvé ce jour-là.
En 1968, il découvre l’anomalie des neutrinos solaires, dans laquelle le Soleil génère de l’énergie par fusion nucléaire de l’hydrogène en hélium, créant des neutrinos de type électronique qui se transforment en d’autres types de neutrinos au cours de leur voyage du Soleil à la Terre. Davis a mené des décennies d’expériences au plus profond de la mine d’or Homestake dans les Black Hills du Dakota du Sud, où l’obscurité et la distance souterraine ont aidé à protéger le détecteur de neutrinos des rayons cosmiques ordinaires, qui autrement obscurciraient tous les signaux causés par les collisions de neutrinos.Masatoshi Koshiba , dont les travaux ont confirmé les découvertes de Davis.
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2002/davis/biographical/
https://history.aip.org/phn/11506009.html
https://www.nature.com/articles/442150a
https://www.nndb.com/people/026/000027942/