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ANDERSON (C. D.)

Carl David ANDERSON 1905-1991

De parents suédois, Carl Anderson (New Yok, 1905- San Marino, Calif., 1991) fut le premier à montrer l’existence physique de l’antimatière. Il mena toute sa carrière, aussi longue que brillante, au California Institute of Technology de Pasadena en Californie.

En 1930, Carl Anderson passa sa thèse de doctorat sous la direction de Robert Millikan, alors célèbre pour sa mesure de la constante de Planck et de la charge de l’électron. Il y étudiait la distribution des directions et des énergies des électrons émis par les rayons X lorsqu’ils traversent une chambre à brouillard. Il eut l’idée à cette occasion de remplacer la vapeur d’eau qui sature la chambre à brouillard par un mélange eau-alcool plus sensible au passage de particules peu ionisantes.

Après sa thèse, mais toujours sous la direction de Millikan qui se passionnait pour l’origine des rayons cosmiques, il construisit une grande chambre à brouillard qu’il plaça à l’intérieur d’un puissant électro-aimant capable d’induire un champ magnétique dix fois plus élevé que ceux qui étaient utilisés alors. Les difficultés financières liées à la grande crise économique de ces années 1930 furent contournées par le prêt d’un générateur continu de 600 kW par un laboratoire d’aéronautique voisin. Un champ magnétique élevé permet de donner une courbure mesurable aux trajectoires des particules très rapides traversant la chambre. Carl Anderson se proposait d’étudier la répartition de l’énergie des particules cosmiques afin de déterminer leur origine. Les premières photographies révélaient un résultat difficile à interpréter: on y voyait des particules chargées positivement et des particules chargées négativement en nombre à peu près égal. On attendait surtout des électrons, négatifs... Par ailleurs, les traces positives, qui ne pouvaient être que des protons, auraient dû être davantage marquées (la densité des traces d’ionisation varie inversement à la vitesse, elle-même à peu près inversement proportionnelle à la masse; or le proton est deux mille fois plus lourd que l’électron). Les physiciens discutèrent donc longuement sur ces trop nombreuses traces positives: des protons malgré tout, affirmaient Millikan et beaucoup d’autres; des électrons traversant la chambre de bas en haut, pensait plutôt Anderson. Afin de connaître avec précision le sens de propagation des particules sur leurs trajectoires, Anderson inséra dans la chambre une mince plaque de plomb: les particules ralenties par cet obstacle laisseraient une trace beaucoup plus incurvée en aval et on pourrait donc décider s’il s’agissait d’électrons voyageant de bas en haut (ce qui aurait dû être rare pour des particules cosmiques venant d’«en haut»). La surprise fut de taille pour tout le monde: c’est le 2 août 1932 qu’un cliché montra une particule ayant indiscutablement les caractéristiques d’un électron et dont le sens de la courbure révélait une charge positive (le hasard voulut que ce fut aussi une de ces rares particules traversant la chambre de bas en haut!). L’antiélectron — ou positron — était découvert. Peu de temps après, Giuseppe Occhialini et Patrick M. Blackett à Cambridge montrèrent que ces positrons étaient produits par les rayonnements cosmiques eux-mêmes.

Cette découverte de l’antimatière par Carl Anderson est un des moments remarquables de l’histoire des sciences car, en 1932, Anderson n’était pas au courant des travaux du théoricien Paul Dirac, de Cambridge, qui, en 1931, avait prédit pour des nécessités de cohérence mathématique l’existence du positron. Dirac, en cherchant avec génie à décrire les phénomènes électromagnétiques en termes compatibles avec la toute nouvelle mécanique quantique et avec les lois de la relativité restreinte, osa écrire que la fonction d’onde décrivant un électron devait posséder plusieurs composantes, comme si l’électron ne pouvait être mathématisé sans un alter ego de charge électrique opposée. Aujourd’hui encore, l’équation de Dirac est à la base de la compréhension des particules de matière, et chacune d’entre elles — électrons, neutrinos, quarks, etc. — est attachée à son antiparticule comme ces figurines présentant une face rieuse opposée à une face triste.

La découverte d’Anderson est donc l’impressionnante confirmation de l’édifice quantique et relativiste construit dans les premières décennies du XX^e siècle, en même temps qu’elle signe l’étonnant succès de la mathématisation extrême de la description des phénomènes physiques. Sans application technique directe, la découverte de l’antimatière est un des sommets de la physique moderne qui valut le prix Nobel de physique 1936 à son auteur.

Parmi les nombreux travaux ultérieurs de Carl Anderson, un des plus significatifs est sans doute la découverte, en 1937, en collaboration avec Seth Neddermayer, d’une nouvelle particule, sorte d’électron très massif qu’il appela mésotron et que nous appelons maintenant muon. Contrairement au positron, l’existence du muon n’était pas requise par la théorie. Avec sa masse deux cents fois supérieure à celle de l’électron, il apparaissait comme une réplique inutile — et donc théoriquement encombrante — de celui-ci. Ce problème n’est d’ailleurs pas vraiment résolu à ce jour. On classe aujourd’hui les particules en trois familles. La deuxième famille rassemble, aux côtés du muon et de son neutrino, deux quarks lourds appelés «étrange» et «charme»; en 1975, la découverte par les physiciens de l’accélérateur linéaire de Stanford d’un électron ultralourd, le tauon, a donné accès à la troisième famille de particules dont on ne connaît actuellement que deux centres membres: un neutrino et un quark ultralourd appelé «beau».

Anderson encadra au «Caltech» de nombreux étudiants; le plus célèbre d’entre eux est Donald Glaser, Prix Nobel de physique en 1960 pour l’invention de la chambre à bulles, détecteur de particules qui fit faire à la physique de l’infiniment petit de prodigieux progrès.

Carl Anderson, physicien purement expérimentateur, sut allier l’utilisation de moyens techniques puissants à une capacité d’interprétation fine et pertinente des phénomènes observés. Il tient à ce titre une place déterminante à un moment clé de l’histoire de la physique. Après Joseph Thomson qui découvrit l’électron en 1897, après Ernest Rutherford qui découvrit le noyau de l’atome en 1911, Anderson fit avancer d’un pas de géant notre connaissance de la structure fine de la matière.