Burton Richter, l'un des découvreurs du quark charmé, est décédé

Née à Brooklyn, un arrondissement de New York (États-Unis), le 22 mars 1931, Burton Richter était un des grands acteurs de la mise en place du modèle standard de la physique des particules élémentaires au cours de la seconde moitié du XX^e siècle. Il vient, hélas, de décéder, ce 18 juillet 2018 à Stanford, en Californie (États-Unis).

Ses collègues soulignaient qu'il possédait une caractéristique rare à notre époque, celle d'être au plus haut niveau dans deux domaines différents alors qu'il est déjà difficile d'atteindre les sommets dans un seul. En effet, il était non seulement un physicienphysicien expérimentateur de talent mais aussi un spécialiste de la physique des accélérateurs, ce qui le conduisit à être le colauréat du prix Nobel de physique en 1976 pour la découverte d'un quatrième quark, le quark charmé.

Burton Richter était sorti diplômé de la Far Rockaway High School, une école qui a produit d'autres lauréats du prix Nobel, en particulier son aîné Richard Feynman. Comme lui, il poursuivit ses études au mythique Massachusetts Institute of Technology, le MIT. Il y décrocha son doctorat en 1956, tout en se prenant de passion pour le sujet le plus brûlant de l'époque, l'électrodynamique quantique relativiste (QED pour Quantum Electrodynamics en anglais) de Tomonaga, Schwinger, Feynman et Dyson.

Une photo de Burton Richter en 1976. © Stanford News Service

Des collisions électrons-positrons pour sonder les limites de la QED

La théorie de la renormalisation, aujourd'hui étroitement liée au groupe de transformations proposé initialement par Gell-Mann et Low, en était encore à ses balbutiements, attendant d'être mieux comprise grâce aux futurs travaux de Kenneth G. Wilson. Avec elle, les quantités infinies apparaissant dans les calculs d'auto-interaction d'un électronélectron avec lui-même dans le cadre de l'électrodynamique quantique étaient plus ou moins sous contrôle en postulant une modification à courte distance des lois de l'électromagnétismeélectromagnétisme.

Une sorte de coupure, un cut-off, selon la terminologie anglaise des physiciens de l'époque, était introduite de façon relativiste au niveau de l'énergieénergie au-delà de laquelle les équationséquations de l'électrodynamique nécessitaient des modifications. Il était alors possible de se débarrasser provisoirement des infinis en redéfinissant le zéro de l'énergie de la théorie (voir à ce sujet l'excellente conférence Nobel de Feynman). Il ne subsistait ainsi que des processus à énergies variables qui s'ajoutaient à une seule quantité infinie, mais constante, que l'on pouvait donc « négliger » (tant qu'on ne prenait pas en compte la relativité généralerelativité générale en tout cas).

Burton Richter voulait explorer cette notion de cut-off et déterminer précisément à quelle énergie et comment l'électrodynamique, telle qu'elle était connue, devait laisser la place à courte distance à une autre théorie. C'est pour cette raison qu'il avait entrepris de se spécialiser dans les expériences avec des faisceaux d'électrons.

L'époque de l'inflation dans le bestiaire des nouvelles particules

Or, s'engager dans la physique des collisions avec des électrons en accélérateurs était un pari dangereux au milieu des années 1950. L'époque était en effet à l'exploration des forces nucléaires et des particules hadroniques. Cela consistait à observer des collisions de protonsprotons avec d'autres nucléonsnucléons. Les physiciens commençaient alors à découvrir des dizaines de particules comme les kaons, les hypérons et les résonancesrésonances associées. Ce n'est que plus tard que les physiciens finirent par comprendre ce déluge de nouvelles particules comme une conséquence des états liés de paires et de triplets de quarks, similaires aux niveaux excités des électrons liés aux atomesatomes. Les physiciens étaient donc divisés en deux communautés plus ou moins étrangères, définies par les exigences de la spécialisation : il y avait ceux, majoritaires, qui accéléraient des protons et ceux qui accéléraient des électrons pour des expériences de physique.

Les choses ne tardèrent pas à changer et les physiciens découvrirent, notamment grâce aux travaux de Robert Hofstadter, que le proton et le neutronneutron n'étaient pas des charges électriques ponctuelles mais qu'ils possédaient une structure étendue, au moins au niveau de résolutionrésolution des faisceaux d'électrons utilisés, qui faisait des accélérateurs des sortes de microscopes électroniquesmicroscopes électroniques géants pour scruter l'intérieur des nucléons.

Le choix fait par Burton Richter de maîtriser la physique des faisceaux d'électrons, mais aussi de positronspositrons, se révéla donc payant, car, de la fin des années 1960 au début des années 1970, les expériences avec ces faisceaux se sont mises à être cruciales pour comprendre la physique des hadronshadrons. Les physiciens étaient alors en particulier occupés à développer le modèle des quarks en relation avec le modèle électrofaible et son fameux bosonboson de Brout-Englert-Higgs. Trois quarks avaient initialement été postulés par George Zweig et Murray Gell-Mann. Mais, en 1970, Sheldon GlashowSheldon Glashow, Jean Iliopoulos, et Luciano Maiani reconnurent alors la nécessité de l'introduction d'un quatrième type de quarks : le quark charmé. En 1972, Makoto Kobayashi et Toshihide Maskawa, généralisant le travail de Nicola Cabibbo, prédirent même l'existence de six quarks.

Du méson J/psi au réchauffement climatique en passant par l'ILC

Parallèlement à ces révolutions en cours, Burton Richter était occupé à la réalisation du Stanford Positron-Electron Accelerator Ring (Spear), un collisionneur d'électrons et de positrons (comme le futur LEPLEP européen) dont il fut l'un des concepteurs au cours des années 1960. En novembre 1974, Burton Richter et son équipe firent la découverte d'un nouveau mésonméson et, alors qu'il se préparait à annoncer cette découverte à son collègue Samuel Ting, celui-ci lui expliqua que la même particule venait également d'être tout juste découverte par lui et ses collaborateurs avec l'Alternating GradientGradient Synchrotron (AGSAGS), un autre accélérateur de particules situé, lui, sur la côte est des États-Unis, au Brookhaven National Laboratory, à Long Island (État de New York).

Nommé conjointement « J/psi » par les deux hommes, le nouveau méson se comporte comme s'il contenait le quatrième quark charmé postulé par Glashow, Iliopoulos et Maiani. Les deux chercheurs eurent le prix Nobel en 1976 pour cette découverte rebaptisée depuis « la Révolution de Novembre ».

Ces dernières années, Burton Richter était devenu un avocatavocat de la constructionconstruction d'un autre collisionneur d'électrons et de positrons pour faire avancer la physique, l'International Linear Collider (ILC). Par ailleurs, il s'inquiétait beaucoup des conséquences du réchauffement climatiqueréchauffement climatique et défendait l'utilisation de l'énergie nucléaire pour répondre au défi du XXI^e siècle.