Arthur B. McDonald

Éducation et carrière

Art McDonald naît à Sydney en Nouvelle-Écosse, et il est le fils d’un officier qui a participé à la libération des Pays-Bas durant la Deuxième Guerre mondiale, et qui travaille ensuite comme conseiller municipal de Sydney. À 17 ans, Art McDonald entre à l’Université Dalhousie, mais il est incertain quant au domaine de sciences dans lequel il veut étudier. Après avoir exploré différents aspects des sciences, il découvre qu’il aime résoudre des problèmes de physique. Parmi ses premiers projets, il occupe un emploi d’été qui consiste à mesurer la gravité le long des routes de Nouvelle-Écosse, ce qui révèle une anomalie qui mène au développement d’une mine de gypse. La maitrise d’Art McDonald porte sur la relation entre la durée de vie des positrons et les défauts des matériaux.

Art McDonald obtient son doctorat au California Institute of Technology en 1969. Willy Fowler, qui dirige le laboratoire Kellogg, fait partie de ses influences à l’université et il lui inculque la conviction de l’importance d’encourager un environnement de travail collégial. Art McDonald croise également la route de John Bahcall et de Raymond Davis, dont les travaux sur la détection des neutrinos influencent ses projets ultérieurs.

De retour au Canada en 1969, Art McDonald travaille comme agent de recherche aux Laboratoires nucléaires de Chalk River d’Énergie atomique du Canada Limitée (EACL). (Voir aussi Centres de recherches en énergie nucléaire.) Parmi ses projets, il travaille au développement d’une source d’électrons polarisée à faisceau continu utilisant le deutérium (un isotope lourd de l’hydrogène).

En 1982, Art McDonald devient professeur à l’Université de Princeton, où il mène des travaux sur les cibles polarisées et sur la mesure du radon émanant de matériaux et extrait de l’eau.

Il entre à l’Université Queen’s comme professeur en 1989 et il y occupe plusieurs postes, dont celui de titulaire de la chaire de recherche universitaire (2002-2006) et de la Gordon and Patricia Gray Chair in Particle Astrophysics (2006-2013). Il est nommé professeur émérite en 2013.

Faits saillants de recherches

Alors qu’il travaille à Chalk River en 1984, Art McDonald s’implique dans le développement de la Collaboration de l’ONS dirigée par Herb Chen et George Ewan. Leur vision est de créer un laboratoire souterrain où le deutérium contenu dans l’eau lourde serait utilisé pour détecter différents types de neutrinos (parmi les plus petites particules connues dans l’univers). Les scientifiques s’interrogent depuis longtemps sur les modèles solaires qui prédisent qu’il devrait y avoir plus de neutrinos solaires produits que ce qui est capté par les détecteurs. Les expériences menées depuis la découverte de l’existence des neutrinos en 1956 ont toutes échoué.

Peu après l’arrivée d’Art McDonald à l’Université Queen’s en 1989, le ONS reçoit des financements gouvernementaux du Canada, du Royaume-Uni et des États-Unis. Le projet implique 14 institutions. Art McDonald occupe plusieurs postes de direction liés au ONS, dont celui de directeur de la Collaboration scientifique de l’ONS (de 1989 à aujourd’hui), de directeur de l’Institut de l’ONS (de 1991 à 2003 et de 2006 à 2009) et de directeur associé de l’Institut SNOLAB (de 2009 à 2013). (Voir aussi Projet Neutrino.)

Lorsqu’on lui demande, lors d’une entrevue en 2015, les raisons de sa fascination pour les neutrinos, Art McDonald répond qu’il s’agit de « particules fondamentales que nous ne savons pas subdiviser davantage, et qu’elles constituent donc un élément fondamental des lois de la physique au niveau le plus microscopique, et que leurs propriétés sont donc extrêmement importantes pour comprendre notre monde dans les moindres détails. » Il note également que le fait de pouvoir jouer avec des équipements dans un laboratoire souterrain de dix étages est « amusant, une fois qu’on est rendu sur place. » Art McDonald pense qu’une compréhension plus approfondie et détaillée des neutrinos pourrait révéler des informations sur la production d’énergie au cœur du Soleil et donner des indices sur l’évolution de l’univers.

Le site choisi pour l’ONS est un puits profond de la mine Creighton d’Inco à Sudbury en Ontario. EACL prête 1000 tonnes d’eau lourde, car elle dispose d’un approvisionnement excédentaire en raison de la baisse de la demande de réacteurs nucléaires CANDU. Des réactions se produisent environ 20 fois par jour, laissant des traînées de lumière bleue visibles lorsque les neutrinos divisent les atomes de deutérium en un proton et un neutron. En comptant le nombre d’atomes divisibles et en comparant ce total au nombre de réactions qui ne peuvent être réalisées qu’avec des neutrinos électroniques, les scientifiques espèrent découvrir où sont allés les neutrinos manquants.

Les expériences de l’ONS révèlent que les neutrinos changent de « saveur » au cours de leur trajet du Soleil vers la Terre, ce qui produit des mesures de détection différentes. Ces différentes saveurs sont appelées : électron, muon et tau. Le Soleil ne produisant que des neutrinos électroniques, les expériences précédentes ne mesuraient que cette saveur et omettaient les autres. Elles déterminaient également que les changements de saveur prouvaient que les neutrinos possédaient une masse, ce qui a conduit à réexaminer le rôle des neutrinos dans le développement de l’univers.

La découverte de l’équipe selon laquelle les neutrinos changent de saveur est classée parmi les trois plus grandes avancées scientifiques de 2001 par le magazine Science.

Durant la pandémie de COVID-19, Art McDonald dirige les efforts des scientifiques des Laboratoires nucléaires canadiens de Chalk River, du SNOLAB, de l’Institut McDonald et de l’accélérateur de particules TRIUMF à Vancouver, pour développer un respirateur d’hôpital facile à fabriquer afin de répondre à la demande croissante de machines pour alimenter en oxygène les patients atteints de la COVID-19. « L’idée est que la communauté des physiciens des particules possède les capacités nécessaires », déclare-t-il au Globe and Mail en mars 2020. « Nous essayons simplement de l’exploiter. »

Prix Nobel

Art McDonald reçoit la moitié du prix Nobel de physique de 2015 « pour la découverte des oscillations des neutrinos, qui démontre que les neutrinos ont une masse ». (Voir aussi Les prix Nobel et le Canada.) Il partage le prix avec le physicien japonais Takaaki Kajita, qui a supervisé un projet semblable à celui de l’ONS, le détecteur Super-Kamiokande, qui démontre également que les neutrinos changent de saveur.

Commentant la victoire d’Art McDonald’s, le journaliste du Globe and Mail Ivan Semeniuk note en 2015 que la découverte « constituera un exemple de la science canadienne à son meilleur, en mettant l’accent sur la collaboration, sur un mélange de théorie et de prouesses techniques, et sur l’expertise combinée des chercheurs universitaires et gouvernementaux soutenus par l’industrie et convergeant tous vers un seul problème difficile. »

Legs

En 2015, l’Institut canadien de recherche en physique des astroparticules Arthur B. McDonald est établi par un groupe d’institutions. Situé à l’Université Queen’s où il est également dirigé, l’institut vise à promouvoir le leadership du Canada dans ce domaine (voir Physique).

À la fin de son profil biographique rédigé pour le prix Nobel, Art McDonald note : « Nos résultats sont importants pour la compréhension fondamentale des neutrinos, ce qui était l’objectif principal pour certains d’entre nous il y a près de vingt ans. Je suis très heureux que tant de jeunes aient eu l’occasion de vivre un moment “eurêka” avec nous et qu’ils aient poursuivi des carrières enrichissantes au-delà de l’ONS. Ce fut un résultat scientifique très important et une expérience éducative très enrichissante pour nous tous, dont je suis très satisfait. »

Prix et distinctions

• Membre, Société royale du Canada (1997)
• Médaille pour l’ensemble des réalisations en physique, Association canadienne des physiciens (2003)
• Prix d’excellence, Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie (2003)
• Médaille d’or Gerhard Herzberg Canada en sciences et génie, Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie (2003)
• Prix Bruno Pontecorvo en physique des particules, JINR, Dubna (2005)
• Officier, Ordre du Canada, 2006
• Prix John C. Polanyi (partagé avec l’ONS), Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie (2006)
• Médaille Benjamin Franklin Medal en physique (co-lauréat), The Franklin Institute (2007)
• Membre, Royal Society (2009)
• Prix Killam en sciences naturelles, Conseil des arts du Canada (2010)
• Membre, Ordre de l’Ontario (2012)
• Prix Nobel en physique (co-lauréat), Académie royale des sciences de Suède (2015)
• Compagnon, Ordre du Canada, 2015
• Prix Breakthrough en physique fondamentale (conjointement avec l’ONS Collaboration), Breakthrough Prize Board (2016)