Il y avait une compensation pour le programme d’études peu sophistiqué ; avec de bonnes notes, on pouvait « sauter » des années scolaires. La progression normale était de commencer les huit années d’école élémentaire à six ans, puis de suivre quatre années d’études secondaires, menant à l’obtention du diplôme à dix-huit ans. Mais les salles de classe étaient bondées et il n’y avait aucune inquiétude quant au niveau social approprié d’un élève ; un bon élève pourrait sauter une année ou plus à l’école primaire. J’avais seize ans quand j’ai obtenu mon diplôme de la James Madison High School à Brooklyn en 1942. Ma sœur, qui est maintenant une écrivaine bien connue aux États-Unis, est allée à l’école encore plus vite – elle a obtenu son diplôme à quinze ans et demi.
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Deux livres sont gravés dans ma mémoire, Mathematics for the Millions de Lancelot Hogben et sa Science for the Citizen. Je les ai empruntés à la bibliothèque encore et encore. J’en ai fait des résumés. Je ne pouvais pas comprendre l’introduction de Hogben au calcul, j’ai donc entièrement copié cette section. Je ne sais pas pourquoi il n’est jamais venu à moi ou à mes parents d’acheter les livres. Nous aurions pu nous les permettre, mais d’une manière ou d’une autre, acheter des livres était un gaspillage d’argent. Naturellement, j’ai compensé dans mes années d’adulte en possédant un très grand nombre de livres.
Bien que j’aie remporté la médaille de physique lorsque j’ai obtenu mon diplôme d’études secondaires, je ne pensais pas devenir physicien ou scientifique de quelque sorte que ce soit. Mes parents et moi connaissions quelques scientifiques, certainement Pasteur, et peut-être Einstein, mais nous ne savions pas qu’il était possible pour un homme de gagner sa vie en tant que scientifique.
Les études d’ingénierie, la guerre, un ingénieur en exercice et ce qui vous intéresse s’appelle la physique 
L’un des premiers cours que j’ai suivis à l’université était la physique générale, en utilisant le manuel de Hausman et Slack. Le cours portait sur les poulies et les thermomètres ; la physique semblait un champ mort par rapport à la chimie. Ainsi, tout comme j’étais aveugle à la fascination de la physique au lycée, j’étais à nouveau aveugle à sa fascination à l’université. J’ai ignoré la physique et j’ai continué à étudier la chimie et le génie chimique.
Les compétences et les connaissances que j’ai acquises à l’Institut polytechnique ont été cruciales dans tous mes travaux expérimentaux : l’utilisation des principes de résistance des matériaux dans la conception d’équipements, la pratique en atelier d’usinage, le dessin technique, la mécanique des fluides pratique, la chimie inorganique et organique, les techniques de laboratoire chimique, procédés de fabrication, métallurgie, concepts de base en génie mécanique, concepts de base en génie électrique, analyse dimensionnelle, vitesse et puissance en calcul mental, estimation numérique (cruciale lorsqu’on dépend d’une règle à calcul pour les calculs), et bien plus encore.
J’ai dû en apprendre un peu plus sur le fonctionnement des tubes à vide électroniques, alors j’ai suivi quelques cours à l’Union College de Schenectady, en particulier la physique atomique et le calcul avancé. J’ai rencontré un merveilleux professeur de physique, Vladimir Rojansky. Un jour, il m’a dit « Martin, ce qui t’intéresse s’appelle la physique et non la chimie ! » À l’âge de 23 ans, j’ai finalement décidé de commencer l’étude de la physique.
Je suis entré au programme de doctorat en physique de l’Université de Columbia à l’automne 1950. Avec le recul, il semble étonnant que j’aie été admis. Certes, j’avais un baccalauréat summa cum laude, mais je n’avais suivi que deux cours de physique : un an de physique élémentaire et un semestre de physique atomique. Il y avait plusieurs raisons pour lesquelles je pouvais faire ça en 1950 ; cela n’aurait pas pu être fait aujourd’hui. Premièrement, les études supérieures en physique étaient primitives en 1950, par rapport aux normes d’aujourd’hui. Nous n’avons étudié la mécanique quantique qu’en deuxième année, la première année étant entièrement consacrée à la physique classique. La mécanique quantique la plus avancée que nous ayons jamais étudiée était un peu chez Heitler, et on ne s’attendait pas à ce que nous soyons capables de faire des calculs en électrodynamique quantique.
Deuxièmement, il n’y avait aucune pensée de conseil ou d’orientation de cours par le corps professoral du département de physique de Columbia – les étudiants étaient seuls. J’étais arrogant sur ma capacité à apprendre quelque chose rapidement. Au moment où j’ai réalisé que j’avais des problèmes, mais au moment où j’ai réalisé que beaucoup de mes camarades étaient plus intelligents que moi et mieux formés que moi, il était trop tard pour arrêter. J’avais expliqué la rentrée scolaire à mes parents étonnés en leur disant que la physique était ce que faisait Einstein. Ils ont pensé si Einstein, pourquoi pas Martin ; Je ne pouvais pas arrêter. J’ai survécu au département de physique de Columbia, jamais le meilleur étudiant, mais un étudiant ambitieux et travailleur. J’étais marié et j’avais un enfant. Je devais obtenir mon doctorat et gagner à nouveau ma vie.
J’ai appris de Rabi l’importance d’obtenir la bonne réponse et de la vérifier soigneusement. Lorsque j’ai terminé ma mesure du moment quadripolaire, j’avais hâte de publier et de continuer à gagner ma vie. Mais Rabi avait entendu dire qu’une mesure similaire avait été faite par une méthode de résonance optique en France. Il écrivit aux physiciens français pour voir s’ils avaient une réponse similaire. Il n’a pas téléphoné ni câblé ; écrit-il calmement. J’ai attendu nerveusement. Six ou huit semaines plus tard, il a reçu la réponse qu’ils avaient une réponse similaire ; puis, j’ai été autorisé à publier. Il vaut bien mieux être retardé, il vaut mieux être le deuxième à publier un résultat, que de publier le premier avec la mauvaise réponse. C’est Rabi qui a toujours insisté sur l’importance de travailler sur un problème fondamental, et c’est Rabi qui m’a envoyé dans la physique des particules élémentaires. Il aurait été naturel pour moi de continuer en physique atomique, mais il m’a prêché la physique des particules – en particulier lorsque ses collègues de physique atomique étaient dans la salle. Je pense que la plupart de ces sermons publics ont peut-être été une façon pour Rabi d’irriter délibérément ses collègues.
Michigan, Bubble Chambers et Me débrouiller tout seul avec L.W. Jones
Quand j’ai reçu mon doctorat. en 1955, j’ai reçu des offres d’emploi des départements de physique de Yale, de l’université de l’Illinois et de l’université du Michigan.
À cette époque, les deux premiers départements de physique avaient une meilleure réputation en physique des particules élémentaires, et je suis donc allé délibérément dans le Michigan. J’ai suivi un théorème en deux parties que je transmets toujours à mes étudiants diplômés et associés de recherche postdoctoraux. Partie 1 : ne choisissez pas le groupe ou le département expérimental le plus puissant – choisissez le groupe ou le département où vous aurez le plus de liberté. Partie 2 : il y a un avantage à travailler dans un petit groupe ou un nouveau groupe – alors vous obtiendrez le mérite de ce que vous accomplissez. Au Michigan, j’ai d’abord travaillé en physique des chambres à bulles avec Donald Glaser. Mais je voulais être moi-même. Lorsque les Russes ont piloté SPUTNIK en 1957, j’ai vu l’opportunité, et conjointement avec mon collègue, Lawrence W. Jones, nous avons écrit à Washington pour obtenir de l’argent pour la recherche. Nous avons commencé notre propre programme de recherche, en utilisant d’abord la chambre luminescente aujourd’hui oubliée, puis les chambres à étincelles. Cela m’amène à l’histoire que je raconte dans ma conférence Nobel sur la découverte du lepton tau.
C’était la Bonne Fortune…
En repensant à mes premières années à Brooklyn, à l’Institut polytechnique et à la General Electric Company, je suis étonné d’écrire une note biographique en tant que lauréat du prix Nobel. J’ai essayé de raconter comment c’est arrivé, mais je me rends compte que j’ai omis l’élément le plus crucial : la bonne fortune. C’était une chance d’être un enfant pendant les années de dépression et un jeune pendant les années de guerre. J’ai vécu dans un pays uni par la conviction que le travail acharné et la persévérance pouvaient nous aider à traverser de grandes difficultés. J’ai vu le droit triompher. La progression de ma carrière a coïncidé avec la croissance des universités et l’énorme expansion du soutien fédéral à la recherche fondamentale. Les emplois universitaires étaient relativement faciles à obtenir et à conserver, les fonds de recherche étaient relativement faciles à obtenir. Toute bonne fortune. Bien sûr, ma chance ultime était que le tau existait.
La vie est beaucoup plus difficile pour les jeunes femmes et hommes qui sont dans la science à l’époque actuelle. Mais ils sont plus intelligents et mieux entraînés que je ne l’étais à leur âge ; ils en savent plus et ont un meilleur équipement. Je leur souhaite bonne chance.
Tauon – Le lepton supermassif !
Nous aimons tous entendre parler des plus grands et des plus petits, des plus lourds et des plus légers, car ces catégories représentent les extrêmes de l’univers. et elles sont généralement idéales pour les comparaisons. Rencontrez le plus lourd de tous les leptons, le Tauon (également connu sous le nom de Tau Lepton ou Tau Particle). Le lepton Tau a une masse de 1777 MeV/c^2, pour relativiser ce lepton, il est plusieurs milliers de fois plus lourde que le plus petit lepton – l’électron – et est même plus lourd qu’un proton. Mais avant d’entrer dans une discussion approfondie sur ces particules, voyons un peu comment fonctionnent les particules, juste pour un peu de contexte.
La quasi-totalité de la matière visible dans l’univers est constituée de quelques particules seulement. Le modèle standard de la physique des particules (une théorie liée aux interactions nucléaires électromagnétiques, faibles et fortes qui décrit la dynamique des particules subatomiques connues) contient de nombreuses particules, mais seules quelques-unes d’entre elles produisent de la matière. Il semble que l’univers favorise la plus petite des particules ; le plus petit lepton, l’électron, et les deux plus petits des quarks (le haut et le bas). A partir de ces trois particules vous, moi, la Terre, le Soleil… tout dans le cosmos est fait ! Le tauon alors, étant si grand, n’est pas favorisé. Malheureusement, cela signifie que ce grand gars n’existe pas depuis longtemps dans l’univers. En fait, il n’existe que pendant 2,95×10^-13 secondes ou 295 femtosecondes (une femtoseconde est un quadrillionième [un millionième de milliardième] de seconde). Mais le lepton est en fait capable de se décomposer en hadron à l’aide d’un boson W, ou d’un pair quark antiquarks, ou d’un pair lepton anti-lepton, grâce à l’utilisation d’un boson Z. Mais ne vous en faites pas trop pour son existence dérisoire, la particule Tau a quelques titres de gloire. Par exemple, la désintégration de la particule Tau a été utilisée dans la détection du boson de Higgs, mais finalement le Higgs n’a pas été trouvé par cette méthode (hélas); cependant, il a pu déterminer que le boson de Higgs devait se situer en dessous de la région de 160 GeV. Comme le Tauon est le plus instable de tous les leptons, comme c’est le plus grand, il ne se produit pas naturellement dans l’univers comme l’électron.
Le Tauon, qui existe depuis si peu de temps, n’existe que dans des endroits où il y a des collisions de particules à haute énergie comme dans le cœur des étoiles, les supernova, les trous noirs, les étoiles à neutrons ou nos humbles accélérateurs de particules. Comme mentionné précédemment, il a une masse d’environ 1777 MeV/c^2, et comme c’est un lepton, il est chargé négativement et a un spin de 1/2. Comme d’autres particules, il a un anti-lepton, qui est un spin 1/2 mais qui est chargé positivement (c’est ce qu’on appelle l’antitau). Le neutrino tau est également le plus grand des neutrinos avec une masse d’environ 15,5 MeV/c^2 qui est encore environ 30 fois la masse d’un électron et incroyablement plus grande que le neutrino électronique.
Donc, pour résumer le Tauon :
C’est le lepton le plus lourd de tout le zoo de particules, près de 3 500 fois plus gros que le plus petit des leptons, l’électron. Le neutrino tau est le plus lourd de la famille des neutrinos et est plus lourd qu’un électron ! Comparé aux autres neutrinos, le neutrino du tau est véritablement une particule massive. Les taons sont suffisamment gros pour être capables de se désintégrer en hadrons, en paires quark/antiquark et en paires de leptons. En raison de leur poids, ils sont incroyablement instables et ont tendance à se décomposer très rapidement.
À propos de tau, particule subatomique
Tau, particule subatomique élémentaire semblable à l’électron mais 3 477 fois plus lourde. Comme l’électron et le muon, le tau est un membre électriquement chargé de la famille des leptons de particules subatomiques ; le tau est chargé négativement, tandis que son antiparticule est chargée positivement. Étant si massif, le tau est instable, avec une durée de vie moyenne de 2,9 × 10−13 seconde, et il se désintègre facilement via la force faible en d’autres particules. Le tau, comme l’électron et le muon, est associé à un lepton neutre correspondant, un tau-neutrino, qui est produit dans toute réaction de désintégration d’une particule tau. Le tau a été découvert grâce à des observations de sa désintégration en muons et en électrons au milieu des années 1970 par un groupe dirigé par Martin Perl au Stanford Linear Accelerator Center en Californie. Perl a nommé la nouvelle particule, le troisième lepton chargé, d’après la lettre grecque qui commence le mot troisième. En 2000, des scientifiques du Fermi National Accelerator Laboratory ont rapporté la première preuve expérimentale de l’existence du neutrino tau, le partenaire insaisissable du tau.
À propos du fermion, particule subatomique
Fermion, tout membre d’un groupe de particules subatomiques ayant un moment cinétique demi-entier impair (spin 1/2, 3/2), du nom des statistiques de Fermi-Dirac qui décrivent son comportement. Les fermions comprennent les particules de la classe des leptons (par exemple, les électrons, les muons), les baryons (par exemple, les neutrons, les protons, les particules lambda) et les noyaux de nombre de masse impair (par exemple, le tritium, l’hélium-3, l’uranium-233). Les fermions obéissent au principe d’exclusion de Pauli, qui interdit à plus d’une particule de ce type d’occuper un même état quantique. Cette condition sous-tend, par exemple, l’accumulation d’électrons dans un atome dans des orbitales successives autour du noyau et empêche ainsi la matière de s’effondrer à un état extrêmement dense. Les fermions sont produits et subissent une annihilation en paires particule-antiparticule.
À propos du neutrino, particule subatomique
Neutrino, particule subatomique élémentaire sans charge électrique, très petite masse et 1/2 unité de spin. Les neutrinos appartiennent à la famille des particules appelées leptons, qui ne sont pas soumises à la force forte. Au contraire, les neutrinos sont soumis à la force faible qui sous-tend certains processus de désintégration radioactive. Il existe trois types de neutrinos, chacun associé à un lepton chargé, c’est-à-dire l’électron, le muon et le tau. Chaque type de neutrino possède également un composant d’antimatière, appelé antineutrino ; le terme neutrino est parfois utilisé dans un sens général pour désigner à la fois le neutrino et son antiparticule. Les propriétés de base du neutrino électronique – pas de charge électrique et peu de masse – ont été prédites en 1930 par le physicien autrichien Wolfgang Pauli pour expliquer la perte apparente d’énergie dans le processus de désintégration bêta radioactive. Le physicien d’origine italienne Enrico Fermi a approfondi (1934) la théorie de la désintégration bêta et a donné son nom à la particule « fantôme ». Un neutrino électronique est émis avec un positron dans la désintégration bêta positive, tandis qu’un antineutrino électronique est émis avec un électron dans la désintégration bêta négative.
Malgré ces prédictions, les neutrinos n’ont pas été détectés expérimentalement pendant 20 ans, en raison de la faiblesse de leurs interactions avec la matière. Parce qu’ils ne sont pas chargés électriquement, les neutrinos ne subissent pas la force électromagnétique et ne provoquent donc pas d’ionisation de la matière. De plus, ils ne réagissent avec la matière que par l’interaction très faible de la force faible. Les neutrinos sont donc les plus pénétrantes des particules subatomiques, capables de traverser un nombre énorme d’atomes sans provoquer de réaction. Seulement 1 sur 10 milliards de ces particules, voyageant à travers la matière sur une distance égale au diamètre de la Terre, réagit avec un proton ou un neutron. Enfin, en 1956, une équipe de physiciens américains dirigée par Frederick Reines rapporta la découverte de l’électron-antineutrino. Dans leurs expériences, les antineutrinos émis dans un réacteur nucléaire ont pu réagir avec des protons pour produire des neutrons et des positrons. Les signatures énergétiques uniques (et rares) du devenir de ces derniers sous-produits ont fourni la preuve de l’existence de l’électron-antineutrino.
La découverte du deuxième type de lepton chargé, le muon, est devenue le point de départ de l’identification éventuelle d’un deuxième type de neutrino, le muon-neutrino. L’identification du neutrino muonique comme distinct du neutrino électronique a été réalisée en 1962 sur la base des résultats d’une expérience avec un accélérateur de particules. Des neutrinos muoniques de haute énergie ont été produits par désintégration de mésons pi et ont été dirigés vers un détecteur afin que leurs réactions avec la matière puissent être étudiées. Bien qu’ils soient aussi peu réactifs que les autres neutrinos, les neutrinos du muon se sont avérés produire des muons mais jamais des électrons dans les rares occasions où ils réagissaient avec des protons ou des neutrons. Les physiciens américains Leon Lederman, Melvin Schwartz et Jack Steinberger ont reçu le prix Nobel de physique en 1988 pour avoir établi l’identité des neutrinos muoniques.
Au milieu des années 1970, les physiciens des particules ont découvert une autre variété de lepton chargé, le tau. Un neutrino tau et un antineutrino tau sont également associés à ce troisième lepton chargé. En 2000, des physiciens du Fermi National Accelerator Laboratory ont rapporté la première preuve expérimentale de l’existence du neutrino du tau. Tous les types de neutrinos ont des masses bien inférieures à celles de leurs partenaires chargés. Par exemple, des expériences montrent que la masse du neutrino-électron doit être inférieure à 0,002 % de celle de l’électron et que la somme des masses des trois types de neutrinos doit être inférieure à 0,48 électron-volt. Pendant de nombreuses années, il a semblé que les masses des neutrinos pouvaient être exactement nulles, bien qu’il n’y ait aucune raison théorique convaincante pour qu’il en soit ainsi. Puis, en 2002, l’Observatoire de neutrinos de Sudbury (SNO), en Ontario, au Canada, a trouvé la première preuve directe que les neutrinos électroniques émis par des réactions nucléaires dans le noyau du Soleil changent de type lorsqu’ils traversent le Soleil. De telles « oscillations » de neutrinos ne sont possibles que si un ou plusieurs des types de neutrinos ont une petite masse. Les études des neutrinos produits dans les interactions des rayons cosmiques dans l’atmosphère terrestre indiquent également que les neutrinos ont une masse, mais d’autres expériences sont nécessaires pour comprendre les masses exactes impliquées.
Martin Lewis Perl était un physicien américain qui a reçu le prix Nobel de physique en 1995 pour avoir découvert une particule subatomique qu’il a nommé le tau, un lepton massif avec une charge négative. Le tau, qu’il a découvert au milieu des années 1970, a été la première preuve d’une troisième « génération » de particules fondamentales. C’est un cousin superlourd de l’électron, identique en tous points sauf que le tau est plus de 3 500 fois plus lourd que l’électron et survit moins d’un trillionième de seconde, alors que l’électron est stable.
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1995/perl/biographical/
https://futurism.com/tauon-the-supermassive-lepton-2