Il y a 100 ans, le physicien danois Niels Bohr publiait dans la revue Philosophical Magazine une série de trois articles proposant un modèle de la structure de l’atome et des liaisons chimiques. «Cette théorie présentait l’atome comme un noyau autour duquel gravitent des électrons, qui déterminent les propriétés chimiques de l’atome», rappelle le professeur Gilles Couture, du Département des sciences de la Terre et de l’atmosphère.
L’intérêt du modèle de Bohr était de compléter le modèle planétaire d’Ernest Rutherford. Celui-ci avait décrit en 1911 l’atome d’hydrogène comme un noyau massif et chargé positivement, autour duquel se déplacent des électrons chargés négativement. «Le problème posé par ce modèle est que l’électron, charge électrique accélérée, devrait selon la physique classique émettre de l’énergie et finir par s’écraser sur le noyau», explique Gilles Couture.
Niels Bohr proposait dans son modèle d’ajouter deux contraintes: l’électron ne rayonne pas lorsqu’il se trouve sur une orbite stable (ou orbite stationnaire), ce type d’orbite étant le seul sur lequel il peut tourner, et l’électron ne rayonne ou n’absorbe de l’énergie que lors d’un changement d’orbite. Or, ce modèle présentait quelques failles, notamment le calcul du moment angulaire. «Quand un objet tourne sur lui-même, il possède une énergie cinétique de rotation, à laquelle on associe une quantité nommée moment angulaire, précise Gilles Couture. Le modèle de Bohr prédisait la mauvaise quantité de moment angulaire.»
Quand les scientifiques de l’époque ont voulu appliquer ce modèle aux atomes plus complexes, cela ne fonctionnait pas. Les calculs du moment angulaire ne correspondaient pas aux mesures spectroscopiques. «On peut donc affirmer que les limites du modèle de Bohr ont donné naissance à la mécanique quantique, développée par Heisenberg et Schrödinger en 1926, laquelle a été en mesure d’expliquer cette faille et d’appliquer un modèle valable aux autres atomes.»
À la recherche des neutrinos
La mécanique classique était déterministe, tandis que la mécanique quantique est probabiliste, poursuit le professeur. «Nous avons aujourd’hui des outils mathématiques pour décrire des systèmes extrêmement complexes. On pense désormais en termes d’opérateurs mathématiques et d’état quantique.»
Cent ans après la publication du modèle de Bohr, Gilles Couture et son collègue Cherif Hamzaoui travaillent sur les neutrinos. «Les neutrinos sont des particules élémentaires qui ne servent à rien, dit en riant le chercheur. Mais on sait qu’ils sont là.»
Particules 101
On appelle particules élémentaires les constituants fondamentaux de l’univers décrits par le modèle standard de la physique des particules. Ces particules subatomiques sont dites «élémentaires» parce qu’elles ne sont pas constituées d’autres particules plus «petites». Un atome n’est pas une particule élémentaire, car il est constitué d’électrons, de protons et de neutrons. Désignés par le terme générique nucléons, ces deux derniers forment le noyau atomique. Ils ne sont pas non plus élémentaires car ils sont constitués de quarks. En revanche, électrons et quarks sont des particules élémentaires, car ils ne sont constitués d’aucune autre particule, d’après l’état actuel des connaissances.
Le modèle standard classe les particules élémentaires en deux grandes familles : les fermions et les bosons. Les fermions se regroupent en deux familles : les leptons, qui ne sont pas soumis à l’interaction forte ; et les quarks, qui sont soumis à toutes les interactions de la nature.
Dans la famille des leptons, on connaît: l’électron, le muon, le tauon et les neutrinos. Ces derniers sont les plus légers des fermions. Ils n’ont pas de charge électrique et n’ont presque aucune interaction avec la matière.
L’existence des neutrinos a été postulée pour la première fois en 1930 par Wolfgang Pauli et leur première confirmation expérimentale remonte à 1956.
En ce moment, en provenance du soleil, il y a environ 100 milliards de neutrinos qui passent à travers notre tête chaque seconde, mais aucun n’interagit avec nous. «Si je fais passer un neutrino produit par le soleil dans un détecteur constitué d’une feuille de métal, il faut que cette feuille ait une année-lumière d’épaisseur pour qu’il y ait 50 % de chances d’obtenir une interaction, illustre Gilles Couture. Cela démontre à quel point les neutrinos n’interagissent pas avec la matière.»
Pour les détecter, il faut d’immenses dispositifs, comme celui du SNOLAB, près de Sudbury, en Ontario. Ce genre de détecteur, qui fonctionne avec de l’eau lourde, est enfoui profondément sous terre pour être protégé du bruit de fond cosmique provenant du rayonnement du soleil et de l’atmosphère. «Quand le neutrino interagit avec l’eau, il produit un électron qui se déplace très vite dans l’eau et qui émet un flash de lumière bleue, capté par des photodétecteurs», explique le chercheur.
Expliquer le modèle solaire
Les neutrinos ont été au cœur des expériences visant à vérifier l’exactitude du modèle solaire depuis les années 1950. «Le flux de neutrinos que j’observe en ce moment a été produit il y a huit minutes au cœur du soleil – comme ils n’interagissent pas avec la matière, ou si peu, ils sortent directement du soleil et voyagent à la vitesse de la lumière, explique le professeur. Ils nous donnent donc des informations sur ce qui se passe dans le soleil présentement.»
Mais voilà: dans les années 1960, deux scientifiques sont arrivés à des conclusions opposées. John N. Bahcall prédisait à l’aide de calculs un nombre x de neutrinos en provenance du soleil. Raymond Davis Jr, lui, détectait le tiers de cette quantité lors de ses expériences. Ce problème a duré près de 40 ans, l’un et l’autre se tirant la pipe pour savoir lequel avait raison.
Le problème a été élucidé expérimentalement au tournant du XXIe siècle, la dernière expérience concluante ayant eu lieu au SNOLAB en 2001. «Le soleil produit seulement des neutrinos électroniques, mais on a découvert qu’il y a en fait trois types de neutrinos: électroniques, muoniques et tauiques – qui proviennent de la désintégration des électrons, des muons et des tauons – et que ceux-ci peuvent se transmuer d’un type à l’autre!, indique le professeur. Or, en 1964, le détecteur de Ray Davis ne détectait que les neutrinos électroniques, car c’était le seul type connu.» Le SNOLAB, sensible à tous les types de neutrinos, a pu confirmer le modèle solaire de John N. Bahcall à quelques pourcents près.
De nouveaux neutrinos!
Gilles Couture et son collègue Cherif Hamzaoui tentent aujourd’hui de calculer la probabilité de transmutation des neutrinos d’un type à l’autre en fonction de leur masse. Mais voilà que depuis quelques mois, des indices expérimentaux pointent en direction d’un autre type de neutrinos, dit stériles, qui interagiraient encore moins avec les autres neutrinos.
Le modèle de Bohr est bien loin, mais la méthode scientifique, elle, n’a pas changé. «En physique, il faut que les théories et les postulats soient vérifiés expérimentalement, conclut Gilles Couture avec le sourire. Il nous reste donc bien des recherches à poursuivre!»