Discours de présentation du professeur K. Siegbahn, membre de l’Académie suédoise des sciences
Vos Majestés, Vos Altesses Royales, Mesdames et Messieurs.
La découverte du phénomène désormais connu sous le nom d’effet Cerenkov, pour lequel le prix Nobel est décerné aujourd’hui, est un exemple intéressant de la façon dont une observation physique relativement simple, si elle est suivie de la bonne manière, peut conduire à des découvertes importantes et ouvrir de nouvelles voies à la recherche. Ici, le scientifique doit être doté de cette disposition expérimentale intuitive unique qui est la véritable incitation au progrès scientifique.
Parmi les étudiants de l’Institut Lebedev à Moscou au début des années trente se trouvait Pavel Cerenkov. La tâche que lui avait assignée son professeur, le professeur Vavilov, pour son travail de thèse, était d’étudier ce qui se passe lorsque le rayonnement d’une source de radium pénètre dans différents fluides et y est absorbé. Le même problème avait sans doute préoccupé de nombreux scientifiques avant ce jeune étudiant diplômé et, pour sûr, beaucoup avaient également observé la faible lueur bleutée qui émanait du liquide lorsque le rayonnement le pénétrait. Une mention spéciale doit être faite de l’importante observation du Français Lucien Mallet. La lueur bleutée avait – à juste titre semble-t-il – toujours été considérée comme une manifestation du phénomène bien connu de la fluorescence. Ce phénomène est utilisé depuis plus d’un demi-siècle, par exemple, par les radiologues dans les fluoroscopes à rayons X, où l’on laisse le rayonnement X « invisible » frapper un écran fluorescent, qui s’allume alors.
Cerenkov, cependant, n’était pas convaincu que le phénomène lumineux qu’il avait observé était vraiment de la nature de la fluorescence. Déjà ses premières expériences indiquaient que ses soupçons étaient corrects. Il découvrit, par exemple, que le rayonnement était essentiellement indépendant de la composition du liquide. Ceci était en désaccord avec l’explication de la fluorescence. En observant le rayonnement même dans l’eau doublement distillée, il a éliminé la possibilité d’impuretés minuscules fluorescentes dans les liquides.
Cerenkov a fait du nouveau rayonnement inconnu le sujet d’une enquête systématique. Dans son travail, il a découvert que le rayonnement était « polarisé » dans la direction du rayonnement du radium entrant et que c’étaient les électrons secondaires rapides, produits par ce dernier, qui étaient la cause principale du rayonnement visible. Ceci a été vérifié en irradiant les liquides avec seulement les électrons d’une source de radium.
Les investigations que Cerenkov a publiées dans les périodiques russes entre 1934 et 1937 ont essentiellement établi les propriétés générales du rayonnement nouvellement découvert. Cependant, une description mathématique de l’effet faisait encore défaut. C’est là que deux collègues de Cerenkov à Moscou entrent en scène. Comment un électron rapide, en traversant un liquide, peut-il donner lieu à un rayonnement ayant les propriétés observées par Cerenkov ? Au début, le phénomène semblait difficile à comprendre, mais dans le travail de Frank et Tamm (1937), une explication a été donnée qui, en plus d’être à la fois simple et claire, répondait également aux exigences de rigueur mathématique.
Le phénomène peut être comparé à la vague de proue d’un navire qui se déplace dans l’eau avec une vitesse supérieure à celle des vagues. Il s’agit, au demeurant, d’une expérience simple que tout le monde peut réaliser. On laisse d’abord tomber un objet dans un bol d’eau et on observe la vitesse de propagation du front d’onde circulaire. Ensuite, on déplace l’objet le long de la surface de l’eau, très lentement pour commencer, mais en augmentant progressivement la vitesse. Lorsque cette dernière dépasse la vitesse de l’onde observée précédemment, il se forme une vague d’arc qui s’étend obliquement vers l’arrière de la manière bien connue.
La vitesse de l’onde à la surface de l’eau est bien sûr faible et il est donc facile de produire la vague d’arc dans ce cas. Dans l’air, un phénomène analogue se produit lorsqu’un avion à réaction franchit le fameux mur du son à environ 1 000 km/h, c’est-à-dire lorsque la vitesse du jet dépasse la vitesse de propagation des ondes sonores. Ce phénomène est accompagné d’un bang.
La condition requise pour former l’onde d’arc de Cerenkov correspondante de la lumière ordinaire lorsqu’une particule chargée, par exemple un électron, traverse un milieu est, de manière analogue, que la particule se déplace avec une vitesse supérieure à celle de la lumière dans le milieu. Au premier abord, on pourrait penser que c’est impossible, car selon la célèbre théorie de la relativité d’Einstein, la vitesse de la lumière est la plus grande vitesse possible. Cela est correct en soi, mais la vitesse à laquelle se réfère la théorie d’Einstein est la vitesse de la lumière dans l’espace vide ou le vide. Dans un milieu, par exemple un liquide ou un solide transparent, la vitesse de la lumière est plus faible que dans le vide et varie en outre avec la longueur d’onde. Ce fait est bien connu depuis les expériences scolaires sur la réfraction de la lumière dans un prisme. Dans un tel milieu, il est donc tout à fait possible qu’un électron ultra-rapide, émis par une source radioactive, se déplace à une vitesse supérieure à celle de la lumière dans le milieu. Dans ce cas, une onde d’arc de Cerenkov se forme et le liquide brille d’un éclat magique bleu vif provenant de la course trépidante des électrons avec la lumière surdimensionnée.
Un beau spectacle s’offre à nous en regardant de haut dans un réacteur à uranium contenant de l’eau ; un réacteur dit de piscine. L’ensemble du cœur est éclairé par la lumière bleue de Cerenkov et, sous cette lumière, on peut même photographier l’intérieur du réacteur.
Dans les études fructueuses de nouvelles particules élémentaires entreprises au cours des dernières années, par exemple la découverte en 1955 de l’antiproton – le noyau d’hydrogène négatif – l’effet Cerenkov a joué un rôle décisif. On a conçu un instrument basé sur cet effet qui est capable d’enregistrer le passage de particules uniques. Ce n’est qu’à la condition que la particule ait une vitesse suffisamment élevée qu’elle sera enregistrée par l’instrument qui, en même temps, peut mesurer la vitesse. Pour la détermination de la vitesse, qui peut être effectuée avec une précision considérable, on utilise le fait que l’angle de la vague d’arc dépend de la vitesse de la particule. Plus la particule se déplace rapidement, plus l’angle entre elles est petit. Ceci est facilement compréhensible dans l’exemple du navire dans l’eau. Ce nouveau type de détecteur de rayonnement a été nommé d’après Cerenkov et fait maintenant partie des instruments les plus importants des grands laboratoires atomiques, où les particules élémentaires sont accélérées à des vitesses extrêmement élevées.
La découverte de Cerenkov, Frank et Tamm, il y a environ vingt ans a donc, au cours des dernières années, trouvé une application d’une importance décisive dans l’étude de la structure fondamentale et de la nature de la matière.
Professeur Cerenkov, professeur Frank, académicien Tamm. L’Académie royale des sciences de Suède vous a décerné le prix Nobel de physique pour votre découverte et votre explication de l’effet qui porte maintenant le nom de l’un d’entre vous. Cette découverte jette non seulement la lumière sur un phénomène physique jusqu’alors inconnu, mais fournit également un outil nouveau et efficace pour l’étude de l’atome. Je vous félicite de tout cœur au nom de l’Académie, et vous prie d’accepter le prix des mains de Sa Majesté le Roi.