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Pauline Gagnon | |

Read Bio

The forgotten life of Einstein’s wife

Thursday, December 22nd, 2016

19 December was the 141th anniversary of the birth of Mileva Marić Einstein. But who remembers this brilliant scientist? While her husband, Albert Einstein is celebrated as perhaps the best physicist of the century, one question about his career remains: How much did his first wife contribute to his groundbreaking science? While nobody has been able to credit her with any specific part of his work, their letters and numerous testimonies presented in the books dedicated to her(1-5) provide substantial evidence on how they collaborated from the time they met in 1896 up to their separation in 1914. They depict a couple united by a shared passion for physics, music and for each other. So here is their story.

Mileva Marić was born in Titel in Serbia in 1875. Her parents, Marija Ruzić and Miloš Marić, a wealthy and respected member of his community, had two other children: Zorka and Miloš Jr. Mileva attended high school the last year girls were admitted in Serbia. In 1892, her father obtained the authorization of the Minister of Education to allow her to attend physics lectures reserved to boys. She completed her high school in Zurich in 1894 and her family then moved to Novi Sad. Mileva’s classmates described her as brilliant but not talkative. She liked to get to the bottom of things, was perseverant and worked towards her goals.

Albert Einstein was born in Ulm in Germany in 1879 and had one sister Maja. His father, Hermann, was an industrial. His mother, Pauline Koch came from a rich family. Albert was inquisitive, bohemian and rebel. Being undisciplined, he hated the rigor of German schools so he too finished his high school in Switzerland and his family relocated to Milan.

mileva-eth

Mileva Marić in 1896 when she entered the Polytechnic Institute in Zurich

Albert and Mileva were admitted to the physics-mathematics section of the Polytechnic Institute in Zurich (now ETH) in 1896 with three other students: Marcel Grossmann, Louis Kollros and Jakob Ehrat. Albert and Mileva became inseparable, spending countless hours studying together. He attended only a few lectures, preferring to study at home. Mileva was methodical and organized. She helped him channel his energy and guided his studies as we learn from Albert’s letters, exchanged between 1899-1903 during school holidays: 43 letters from Albert to Mileva have been preserved but only 10 of hers remain(5). These letters provide a first-hand account on how they interacted at the time.

In August 1899, Albert wrote to Mileva: « When I read Helmholtz for the first time, it seemed so odd that you were not at my side and today, this is not getting better. I find the work we do together very good, healing and also easier.” Then on 2 October 1899, he wrote from Milan: “… the climate here does not suit me at all, and while I miss work, I find myself filled with dark thoughts – in other words, I miss having you nearby to kindly keep me in check and prevent me from meandering”.

Mileva boarded in a pension for women where she met her life-long friends Helene Kaufler-Savić and Milana Bota. Both spoke of Albert’s continuous presence at Mileva’s place, where he would come freely to borrow books in Mileva’s absence. Milan Popović, Helene’s grandson, published the letters Mileva exchanged with her throughout her life(4).

 By the end of their classes in 1900, Mileva and Albert had similar grades (4.7 and 4.6, respectively) except in applied physics where she got the top mark of 5 but he, only 1. She excelled at experimental work while he did not. But at the oral exam, Professor Minkowski gave 11 out of 12 to the four male students but only 5 to Mileva. Only Albert got his degree.

Meanwhile, Albert’s family strongly opposed their relationship. His mother was adamant. “By the time you’re 30, she’ll already be an old hag!” as Albert reported to Mileva in a letter dated 27 July 1900, as well as « She cannot enter a respectable family ”. Mileva was neither Jewish, nor German. She had a limp and was too intellectual in his mother’s opinion, not to mention prejudices against foreign people. Moreover, Albert’s father insisted his son found work before getting married.

In September 1900, Albert wrote to Mileva: “I look forward to resume our new common work. You must now continue with your research – how proud I will be to have a doctor for my spouse when I’ll only be an ordinary man.“ They both came back to Zurich in October 1900 to start their thesis work. The other three students all received assistant positions at the Institute, but Albert did not. He suspected that professor Weber was blocking him. Without a job, he refused to marry her. They made ends meet by giving private lessons and “continue[d] to live and work as before.“ as Mileva wrote to her friend Helene Savić.

On 13 December 1900, they submitted a first article on capillarity signed only under Albert’s name. Nevertheless, both referred to this article in letters as their common article. Mileva wrote to Helene Savić on 20 December 1900. We will send a private copy to Boltzmann to see what he thinks and I hope he will answer us.” Likewise, Albert wrote to Mileva on 4 April 1901, saying that his friend Michele Besso “visited his uncle on my behalf, Prof. Jung, one of the most influential physicists in Italy and gave him a copy of our article.”

The decision to publish only under his name seems to have been taken jointly. Why? Radmila Milentijević, a former history professor at City College in New York, published in 2015 Mileva’s most comprehensive biography(1). She suggests that Mileva probably wanted to help Albert make a name for himself, such that he could find a job and marry her. Dord Krstić, a former physics professor at Ljubljana University, spent 50 years researching Mileva’s life. In his well-documented book(2), he suggests that given the prevalent bias against women at the time, a publication co-signed with a woman might have carried less weight.

We will never know. But nobody made it clearer than Albert Einstein himself that they collaborated on special relativity when he wrote to Mileva on 27 March 1901: “How happy and proud I will be when the two of us together will have brought our work on relative motion to a victorious conclusion.”

 Then Mileva’s destiny changed abruptly. She became pregnant after a lovers’ escapade in Lake Como. Unemployed, Albert would still not marry her. With this uncertain future, Mileva took her second and last attempt at the oral exam in July 1901. This time, Prof. Weber, whom Albert suspected of blocking his career, failed her. Forced to abandon her studies, she went back to Serbia, but came back briefly to Zurich to try to persuade Albert to marry her. She gave birth to a girl named Liserl in January 1902. No one knows what happened to her. She was probably given to adoption. No birth or death certificates were ever found.

Earlier in December 1901, their classmate Marcel Grossman’s father intervened to get Albert a post at the Patent Office in Bern. He started work in June 1902. In October, before dying, his father granted him his permission to marry. Albert and Mileva married on 6 January 1903. Albert worked 8 hours a day, 6 days a week at the Patent Office while Mileva assumed the domestic tasks. In the evenings, they worked together, sometimes late in the night. Both mentioned this to friends, he to Hans Wohlwend, she to Helene Savić on 20 March 1903 where she expressed how sorry she was to see Albert working so hard at the office. On 14 May 1904, their son Hans-Albert was born.

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Mileva and Albert’s wedding picture in 1903

Despite this, 1905 is now known as Albert’s “miracle year”: he published five articles: one on the photoelectric effect (which led to the 1921 Nobel Prize), two on Brownian motion, one on special relativity and the famous E = mc2. He also commented on 21 scientific papers for a fee and submitted his thesis on the dimensions of molecules. Much later, Albert told R. S. Shankland(6) that relativity had been his life for seven years and the photoelectric effect, for five years. Peter Michelmore, one of his biographers(7), wrote that after having spent five weeks to complete the article containing the basis of special relativity, Albert “went to bed for two weeks. Mileva checked the article again and again, and then mailed it”. Exhausted, the couple made the first of three visits to Serbia where they met numerous relatives and friends, whose testimonies provide a wealth of information on how Albert and Mileva collaborated.

Mileva’s brother, Miloš Jr, a person known for his integrity, stayed on several occasions with the Einstein family while studying medicine in Paris. Krstić(2) wrote: “[Miloš] described how during the evenings and at night, when silence fell upon the town, the young married couple would sit together at the table and at the light of a kerosene lantern, they would work together on physics problems. Miloš Jr. spoke of how they calculated, wrote, read and debated.” Krstić heard this directly from relatives of Mileva, Sidonija Gajin and Sofija Galić Golubović.

Zarko Marić, a cousin of Mileva’s father, lived in the countryside property where the Einsteins stayed during their visit. He told Krstić how Mileva calculated, wrote and worked with Albert. The couple often sat in the garden to discuss physics. Harmony and mutual respect prevailed. Gajin and Zarko Marić also reported hearing from Mileva’s father that during the Einstein’s visit to Novi Sad in 1905, Mileva confided to him: “Before our departure, we finished an important scientific work which will make my husband known around the world.” Krstić got this same information in 1961 from Mileva’s cousin, Sofija Galić Golubović, who was present when Mileva said it to her father.

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Mileva, Albert and their son Hans-Albert in 1905

Desanka Trbuhović-Gjurić published Mileva’s first biography in Serbian in 1969(3). It later appeared in German and French. She described how Mileva’s brother often hosted gatherings of young intellectuals at his place. During one of these evenings, Albert would have declared: “I need my wife. She solves for me all my mathematical problems”, something Mileva is said to have confirmed.

In 1908, the couple constructed with Conrad Habicht an ultra-sensitive voltmeter. Trbuhović-Gjurić attributes this experimental work to Mileva and Conrad, and wrote: “When they were both satisfied, they left to Albert the task of describing the apparatus, since he was a patent expert.” It was registered under the Einstein-Habicht patent. When Habicht questioned Mileva’s choice not to include her name, she replied making a pun in German: “Warum? Wir beide sind nur ein Stein.“ (“Why? The two of us are but one stone”, meaning, we are one entity).

The first recognition came in 1908. Albert gave unpaid lectures in Bern, then was offered his first academic position in Zurich in 1909. Mileva was still assisting him. Eight pages of Albert’s first lecture notes are in her handwriting. So is a letter drafted in 1910 in reply to Max Planck who had sought Albert’s opinion. Both documents are kept in the Albert Einstein Archives (AEA) in Jerusalem. On 3 September 1909, Mileva confided to Helene Savić: “He is now regarded as the best of the German-speaking physicists, and they give him a lot of honours. I am very happy for his success, because he fully deserves it; I only hope and wish that fame does not have a harmful effect on his humanity.” Later, she added: “With all this fame, he has little time for his wife. […] What is there to say, with notoriety, one gets the pearl, the other the shell.”

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Mileva and Albert in 1910.

Their second son, Eduard, was born on 28 July 1910. Up to 1911, Albert still sent affectionate postcards to Mileva. But in 1912, he started an affair with his cousin, Elsa Löwenthal while visiting his family who had moved to Berlin. They maintained a secret correspondence over two years. Elsa kept 21 of his letters, now in the Collected Papers of Albert Einstein. During this period, Albert held various faculty positions first in Prague, back in Zurich and finally in Berlin in 1914 to be closer to Elsa.

This caused their marriage’s collapse. Mileva moved back to Zurich with her two sons on 29 July 1914. In 1919, she agreed to divorce, with a clause stating that if Albert ever received the Nobel Prize, she would get the money. When she did, she bought two small apartment buildings and lived poorly from their income. Her son, Eduard stayed frequently in a sanatorium. He later developed schizophrenia and was eventually internalised. Due to these medical expenses, Mileva struggled financially all her life and eventually lost both buildings. She survived by giving private lessons and on the alimony Albert sent, albeit irregularly.

In 1925, Albert wrote in his will that the Nobel Prize money was his sons’ inheritance. Mileva strongly objected, stating the money was hers and considered revealing her contributions to his work. Radmila Milentijević quote from a letter Albert sent her on 24 October 1925 (AEA 75-364). ”You made me laugh when you started threatening me with your recollections. Have you ever considered, even just for a second, that nobody would ever pay attention to your says if the man you talked about had not accomplished something important. When someone is completely insignificant, there is nothing else to say to this person but to remain modest and silent. This is what I advise you to do.

Mileva remained silent but her friend Milana Bota told a Serbian newspaper in 1929 that they should talk to Mileva to find out about the genesis of special relativity, since she was directly involved. On 13 June 1929, Mileva wrote to Helene Savić: ”Such publications in newspapers do not suit my nature at all, but I believe that all that was for Milana’s joy, and that she probably thought that this would also be a joy for me, as I can only suppose that she wanted to help me receive some public rights with regard to Einstein. She has written to me in that way, and I let it be accepted that way, for otherwise the whole thing would be nonsense.”

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Mileva later on (unknown date)

According to Krstić(2), Mileva spoke of her contributions to her mother and sister. She also wrote to her godparents explaining how she had always collaborated with Albert and how he had ruined her life, but asked them to destroy the letter. Her son, Hans-Albert, told Krstić(2) how his parents’ “scientific collaboration continued into their marriage, and that he remembered seeing [them] work together in the evenings at the same table.” Hans-Albert’s first wife, Frieda, tried to publish the letters Mileva and Albert had sent to their sons but was blocked in court by the Einstein’s Estate Executors, Helen Dukas and Otto Nathan in an attempt to preserve the “Einstein’s myth”. They prevented other publications, including one from Krstić(2) on his early findings in 1974. Krstić mentions that Nathan even “visited” Mileva’s apartment after her death in 1948. On July 1947, Albert wrote to Dr Karl Zürcher, his divorce lawyer: “When Mileva will no longer be there, I’ll be able to die in peace.”

 Their letters and the numerous testimonies show that Mileva Marić and Albert Einstein collaborated closely from their school days up to 1914. Albert referred to it repeatedly in his letters, like when he wrote: « our work on relative motion”. Their union was based on love and mutual respect, which allowed them together to produce such uncommon work. She was the first person to recognize his talent. Without her, he would never have succeeded. She abandoned her own aspirations, happy to work with him and contribute to his success, feeling they were one unique entity. Once started, the process of signing their work under his unique name became impossible to reverse. She probably agreed to it since her own happiness depended on his success. Why did Mileva remain silent? Being reserved and self-effaced, she did not seek honors or public attention. And as is always the case in close collaborations, the individual contributions are nearly impossible to disentangle.

Pauline Gagnon

This article first appeared in Scientific American as an Opinion piece

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References:

(1) Radmila Milentijević: Mileva Marić Einstein: Life with Albert Einstein, United World Press, 2015.

(2) Dord Krstić: Mileva & Albert Einstein: Their Love and Scientific Collaboration, Didakta, 2004.

(3) Desanka Trbuhović-Gjurić: Mileva Marić Einstein: In Albert Einstein’s shadow: in Serbian, 1969, German, 1982, and French, 1991.

(4) Milan Popović: In Albert’s Shadow, the Life and Letters of Mileva Marić, Einstein’s First Wife, The John Hopkins University Press, 2003.

(5) Renn and Schulmann, Albert Einstein / Mileva Marić, The Love Letters, Princeton University Press, 1992.

(6) Peter Michelmore, Einstein, Profile of the Man, Dodd, Mead & Company, 1962.

(7) R.S. Shankland, Conversation with Albert Einstein, Am. J. of Physics, 1962.

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La vie oubliée de la femme d’Einstein

Thursday, December 22nd, 2016

Le 19 décembre a marqué le 141ième anniversaire de naissance de Mileva Marić Einstein. Mais qui se souvient de cette brillante physicienne? Alors que son mari, Albert Einstein, est célébré comme étant peut-être le meilleur physicien du siècle, une ombre demeure sur sa carrière: quelles furent les contributions de sa première femme à son oeuvre scientifique? Même si personne n’a encore pu déterminer ses contributions exactes à son travail, leurs lettres et les nombreuses preuves présentées dans les livres consacrés à Mileva Marić(1-5) nous éclairent hors de tout doute sur la façon dont ils ont collaboré depuis leur rencontre en 1896 jusqu’à leur séparation en 1914. L’ensemble de ces documents dépeint le tableau d’un couple uni par une passion mutuelle pour la physique, la musique et l’un pour l’autre. Voici leur histoire.

Mileva Marić est née à Titel en Serbie en 1875. Ses parents, Marija Ruzić et Miloš Marić, un homme riche et respecté dans sa communauté, eurent deux autres enfants: Zorka et Miloš Jr. Mileva fréquenta l’école secondaire la dernière année où les filles y étaient encore admises. En 1892, son père obtint une autorisation du Ministre de l’Éducation pour qu’elle puisse assister aux cours de physique alors réservés qu’aux garçons. Elle compléta son secondaire à Zurich en 1894, date à laquelle sa famille déménagea à Novi Sad. Ses camarades de classe décrivirent Mileva comme étant brillante, mais peu bavarde. Elle aimait aller au fond de choses, était persévérante et marchait droit au but.

Albert Einstein est né à Ulm en Allemagne en 1879 et n’avait qu’une sœur, Maja. Hermann, son père, était un industriel et sa mère, Pauline Koch, était issue d’une famille riche. Albert était curieux, bohème et rebelle. Indiscipliné de nature, il détestait la rigueur des écoles allemandes et alla finir ses études secondaires en Suisse. Sa famille déménagea alors à Milan.

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Mileva Marić en 1896 lorsqu’elle fut admise à l’Institut Polytechnique de Zurich

En 1896, Albert et Mileva furent admis dans la section de mathématiques et physique de l’Institut Polytechnique à Zurich (maintenant l’ETH) avec trois autres étudiants: Marcel Grossmann, Louis Kollros et Jakob Ehrat. Albert et Mileva devinrent vite inséparables, étudiant sans cesse ensemble. Il n’assista qu’à quelques cours, préférant étudier par lui-même. Mileva était méthodique et très organisée. Elle l’aidait à canaliser son énergie et guidait ses lectures comme nous le révèlent leurs lettres, échangées entre 1899 et 1903 durant les congés scolaires: 43 lettres d’Albert à Mileva ont été préservées mais seulement 10 lettres de Mileva subsistent(5). Ces lettres fournissent un témoignage direct sur la façon dont ils interagissaient à l’époque.

En août 1899, Albert écrit à Mileva : « Quand j’ai lu Helmholtz pour la première fois, il me semblait tout à fait inconcevable que tu ne sois pas à mes côtés et aujourd’hui, ça ne s’améliore pas. Je trouve le travail que nous faisons en commun très bon, curatif et aussi moins ardu.” Le 2 octobre 1899, il lui écrivit de Milan : “… le climat ici ne me convient pas du tout et, un certain travail me manquant, je me laisse aller à ruminer des idées noires – bref, je vois et sens que votre bienfaisante férule ne plane plus au-dessus de moi pour m’empêcher de divaguer “.

Mileva logeait dans une pension pour jeunes femmes où elle rencontra ses amies Helene Kaufler-Savić et Milana Bota. Toutes deux témoignèrent de la présence constante d’Albert chez Mileva, où il venait librement y emprunter des livres même en son absence. Milan Popović, le petit-fils d’Helene, a publié les lettres que Mileva écrivit à Helene tout au long de sa vie(4).

A la fin de leurs cours en 1900, Mileva et Albert avaient des résultats semblables (une moyenne de 4.7 et 4.6, respectivement) sauf en physique appliquée, où elle obtint la note maximale de 5, mais Albert, seulement 1. Elle excellait en travaux pratiques tandis qu’il n’y avait aucun talent. Cependant, lors de leur examen oral, le Professeur Minkowski accorda une note de 11 sur 12 aux quatre étudiants masculins, mais Mileva ne reçut que 5. Tous obtinrent leur diplôme sauf Mileva.

Entre temps, la famille d’Albert s’opposait fortement à leur relation. Sa mère était inflexible. « Quand tu auras 30 ans, elle sera déjà une vieille sorcière! », comme Albert le rapporta à Mileva dans une lettre datée du 27 juillet 1900, de même que “Elle ne peut pas entrer dans une famille convenable“. Mileva n’était ni juive, ni allemande. Elle boitait et était trop intellectuelle de l’avis de sa mère, sans compter les préjugés contre les étrangers. De son côté, le père d’Albert insistait pour que son fils trouve du travail avant de se marier.

En septembre 1900, Albert écrivit à Mileva : « Comme je me réjouis à l’avance de notre nouveau travail conjoint. Tu dois maintenant continuer avec ton investigation – comme je serai fier lorsque j’aurai un docteur comme compagne alors que je serai juste un homme ordinaire. » Les deux revinrent à Zurich en octobre 1900 commencer leur travail de thèse. Les trois autres étudiants se virent tous offrir des postes d’assistants à l’Institut, mais pas Albert. Il soupçonna le professeur Weber de malveillance. Pour joindre les deux bouts, ils donnèrent des leçons privées et « continuèrent à vivre et travailler comme avant », comme Mileva l’écrivit à son amie Helene Savić.

Le 13 décembre 1900, ils soumirent sous le seul nom d’Albert un premier article sur la capillarité. Néanmoins, tous deux référèrent à cet article dans leurs lettres comme leur article commun. Mileva écrivit à Helene Savić le 20 décembre 1900. « Nous enverrons une copie privée à Boltzmann pour voir ce qu’il pense et j’espère qu’il nous répondra. » De même, Albert écrivit à Mileva le 4 avril 1901, disant que son ami Michele Besso « a rendu visite à son oncle en mon nom, le Prof. Jung, un des physiciens les plus influents en Italie et lui a aussi donné une copie de notre article. »

La décision de publier sous le seul nom d’Albert semble avoir été prise en commun. Pourquoi ? Radmila Milentijević, ancienne professeure d’histoire au City College de New York, a publié en 2014 la biographie la plus complète à ce jour sur Mileva(1). Elle suggère que Mileva voulait probablement aider Albert à se faire un nom, pour qu’il puisse trouver un travail et l’épouser. Dord Krstić, ancien professeur de physique à l’Université de Ljubljana, passa près de 50 ans à enquêter sur la vie de Mileva. Dans son livre(2) fort bien documenté, il suggère qu’une publication co-signée avec une femme aurait pu en réduire l’impact étant donné les préjugés sexistes de l’époque.

Nous ne le saurons jamais. Mais personne ne peut être plus clair qu’Albert Einstein sur l’existence de leur collaboration sur la relativité spéciale lorsqu’il écrivit à Mileva le 27 mars 1901 : «Comme je serai heureux et fier quand nous aurons tous les deux ensemble mené notre travail sur le mouvement relatif à une conclusion victorieuse ! »

C’est à ce moment que le destin de Mileva bascula. Suite à une escapade amoureuse au Lac de Côme, elle tomba enceinte. Toujours sans emploi, Albert refuse toujours de l’épouser. C’est avec un avenir on ne peut plus incertain que Mileva tenta sa seconde et dernière chance à l’examen oral en juillet 1901. Cette fois, c’est le professeur Weber, celui qu’Albert soupçonnait de bloquer sa carrière, qui lui refuse la note de passage. Forcée d’abandonner ses études, elle retourna en Serbie, mais revint brièvement à Zurich pour essayer en vain de persuader Albert de l’épouser. Elle donna naissance à une petite fille nommée Liserl en janvier 1902. Personne ne sait ce qui lui est arrivé. Elle fut probablement donnée en adoption. Aucun acte de naissance ou de décès n’a été retrouvé.

Auparavant, en décembre 1901, le père de leur camarade de classe Marcel Grossman obtint pour Albert un poste à l’Office des Brevets à Berne, où il débuta en juin 1902. En octobre, juste avant sa mort, son père lui accorda la permission de se marier. Albert épousa Mileva le 6 janvier 1903. Albert travaillait 8 heures par jour, 6 jours semaine tandis que Mileva assumait les tâches ménagères. En soirée, ils travaillaient ensemble, parfois tard dans la nuit. Les deux le mentionnèrent à des amis, lui à Hans Wohlwend, elle à Helene Savić le 20 mars 1903, se désolant de le voir travailler si dur au bureau. Leur fils Hans-Albert naquit le 14 mai 1904.

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Photo de marriage de Mileva et Albert en 1903

Malgré cette charge de travail, 1905 devint « l’année miraculeuse » d’Albert où il publia cinq articles: un sur l’effet photoélectrique (ce qui lui valut le Prix Nobel en 1921), deux sur le mouvement Brownien, un sur la relativité restreinte et un contenant la célèbre équation E = mc2. Il soumit des commentaires sur 21 articles scientifiques contre rémunération de même que sa thèse sur les dimensions des molécules

Bien plus tard, Albert confia à R. S. Shankland(6) que la relativité avait été sa vie pendant sept ans et l’effet photoélectrique, cinq ans. Peter Michelmore, un de ses biographes(7), écrivit qu’après avoir passé cinq semaines à compléter l’article sur la relativité restreinte, Albert « passa deux semaines au lit pendant que Mileva relisait inlassablement l’article avant de le poster ». Épuisé, le couple part en Serbie pour une première de trois visites où ils rencontrèrent de nombreux parents et amis. Les témoignages de ces derniers foisonnent d’information sur la façon dont Albert et Mileva collaboraient à l’époque.

Le frère de Mileva, Miloš Jr, une personne reconnue pour son intégrité, séjourna à plusieurs reprises chez les Einstein durant ses études de médecine à Paris. Krstić(2) écrivit: « [Miloš] décrivit comment en soirée et durant la nuit, quand le silence tombait sur la ville, le jeune couple s’assoyait à la table, et à la lumière d’une lampe au kérosène, travaillait à des problèmes de physique. Miloš Jr. mentionna comment ils calculaient, écrivaient, lisaient et débattaient. » Krstić recueillit ce témoignage directement de la marraine de Mileva, Sidonija Gajin et de sa cousine, Sofija Galić Golubović.

Zarko Marić, un cousin du père de Mileva, vivait dans la maison de campagne où les Einstein séjournèrent durant leurs visites. Il raconta à Krstić comment Mileva calculait, écrivait et travaillait avec Albert. Le couple s’assoyait souvent au jardin pour discuter de physique. L’harmonie et le respect mutuel prévalaient. Gajin et Zarko Marić rapportèrent aussi que le père de Mileva leur confia que lors de la visite des Einstein à Novi Sad en 1905, Mileva lui dit: « Nous venons de terminer un travail de recherche scientifique très important qui va rendre mon mari célèbre. » Krstić récolta les mêmes propos de la cousine de Mileva, Sofija Galić Golubović, qui était présente lorsque Mileva parla à son père.

Desanka Trbuhović-Gjurić a publié la première biographie de Mileva en serbe en 1969(3). Cet ouvrage paru plus tard en allemand puis en français. Elle y décrit comment le frère de Mileva accueillait souvent de jeunes intellectuels chez lui. Lors d’une de ces soirées, Albert aurait déclaré: « J’ai besoin de ma femme. Elle résout pour moi tous mes problèmes mathématiques », fait que Mileva aurait confirmé.

ae_mm_son_1905Mileva et Albert avec leur fils Hans-Albert en 1905

En 1908, le couple construisit avec Conrad Habicht un voltmètre ultrasensible. Trbuhović-Gjurić attribue ce travail expérimental à Mileva et Conrad. Elle écrit : “« Quand [Mileva et Conrad] furent tous les deux satisfaits, ils laissèrent à Albert le soin de décrire cet appareil, en expert des brevets». Ce fut enregistré sous le nom d’Einstein-Habicht. Quand Habicht interrogea Mileva sur son choix de ne pas y inclure son nom, elle répondit en faisant un jeu de mots en allemand : « Warum ? Wir beide sind nur ein Stein. » (Pourquoi ? Nous deux ne sommes qu’une seule pierre”, signifiant, nous ne faisons qu’un.)

La reconnaissance vint enfin en 1908. Albert fut invité à donner des cours non rémunérés à Berne, puis on lui offrit un premier poste académique à Zurich en 1909. Mileva l’aidait toujours. Huit pages des premières notes de cours d’Albert sont rédigées de sa main, de même qu’une lettre écrite en 1910 en réponse à Max Planck qui avait sollicité l’avis d’Albert. Ces deux documents se trouvent dans les Archives d’Albert Einstein (AEA) à Jérusalem. Le 3 septembre 1909, Mileva confia à Helene Savić : « Mon mari […] est maintenant perçu comme le meilleur physicien de langue allemande et on le couvre d’honneur. Je suis très heureuse pour son succès parce qu’il le mérite pleinement; je souhaite simplement et espère que la gloire n’aura pas d’effets adverses sur son humanité. » Plus tard, elle ajouta : « Avec toute cette gloire, il a peu de temps pour sa femme. […] Que peut-on faire, avec la notoriété, une personne reçoit la perle, l’autre la coquille. »

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Mileva et Albert en 1910

Leur deuxième fils, Eduard, vint au monde le 28 juillet 1910. Jusqu’à 1911, Albert envoyait toujours des cartes postales affectueuses à Mileva. Mais en 1912, il commença une relation avec sa cousine, Elsa Löwenthal, lors d’une visite à sa famille qui avait déménagé à Berlin. Ils entretinrent une correspondance secrète pendant plus de deux ans. Elsa conserva 21 des lettres d’Albert, qu’on retrouve aujourd’hui dans Collected Papers of Albert Einstein. Durant cette période, Albert occupa différents postes de professeur d’abord à Prague, de retour à Zurich et finalement à Berlin en 1914 afin de se rapprocher d’Elsa.

Cela causa l’effondrement de leur mariage. Mileva retourna à Zurich avec ses deux fils le 29 juillet 1914. En 1919, elle consentit à divorcer, exigeant d’inclure une clause dans leur contrat de divorce stipulant que si Albert recevait le Prix Nobel, elle seule obtiendrait l’argent. Lorsqu’elle le reçut, elle acheta deux petits immeubles et vécut maigrement de leurs revenus. Son fils, Eduard séjourna à plusieurs reprises dans un sanatorium. Il souffrit plus tard de schizophrénie et dut finalement être interné. En raison de ces dépenses médicales, Mileva eut de graves soucis financiers toute sa vie et éventuellement perdit les deux immeubles. Elle survécut en donnant des cours particuliers et grâce à la pension alimentaire qu’Albert lui envoyait, bien qu’irrégulièrement.

En 1925, Albert voulut inclure dans son testament que l’argent du Prix Nobel constituait l’héritage de ses fils. Mileva s’y opposa fortement, lui rappelant que cet argent était le sien propre et envisagea de révéler ses contributions au travail d’Albert. Radmila Milentijević cite une lettre qu’Albert lui adressa le 24 octobre 1925 (AEA 75-364). « Mais tu m’as fait vraiment rire quand tu as commencé à me menacer de tes mémoires. T’est-il jamais venu à l’esprit, ne serait-ce qu’une seconde, que personne ne prêterait la moindre attention à tes salades si l’homme dont tu parles n’avait pas accompli quelque chose d’important? Quand une personne est quelqu’un de complètement insignifiant, il n’y a rien d’autre à dire à cette personne que de rester modeste et de se taire. C’est ce que je te conseille de faire. »

Mileva est resté silencieuse mais son amie Milana Bota déclara à un journal serbe en 1929 que Mileva pourrait les renseigner sur l’origine de la relativité restreinte, puisqu’elle y avait directement contribué. Le 13 juin 1929, Mileva écrivit à Helene Savić : « De telles publications dans les journaux ne correspondent pas du tout à ma nature mais je crois que cela a fait plaisir à Milana et qu’elle a probablement pensé que cela me ferait plaisir aussi et que, d’une certaine façon, cela m’aiderait à obtenir certains droits vis-à-vis d’Einstein aux yeux du public. Elle m’a écrit en ce sens, et je l’accepte ainsi, autrement tout cela n’aurait pas beaucoup de sens. »

mileva-plus-vieille

Mileva Marić quelques années plus tard (date inconnue)

Selon Krstić(2), Mileva parla de ses contributions à sa mère et sa sœur. Elle écrivit aussi à ses parrain et marraine comment elle collabora avec Albert et comment il avait ruiné sa vie, mais leur demanda de détruire sa lettre. Son fils, Hans-Albert, confia à Krstić comment “la collaboration scientifique de ses parents continua après leur mariage et qu’il se rappelait les voir travailler ensemble en soirée à la même table.” La première femme d’Hans-Albert, Frieda, essaya de publier les lettres que Mileva et Albert avaient envoyé à leurs fils, mais fut bloquée en cour par les exécuteurs testamentaires d’Einstein, Helen Dukas et Otto Nathan afin de préserver le « mythe Einstein ». Ils empêchèrent aussi d’autres publications, y compris lorsque Krstić(2) voulu publier ses premières découvertes en 1974. Krstić mentionne que Nathan « visita » même l’appartement de Mileva après sa mort en 1948. En juillet 1947, Albert écrivit au Dr Karl Zürcher, l’avocat qui avait réglé son divorce : « Lorsque Mileva ne sera plus de ce monde, je pourrai mourir en paix. »

Leurs lettres et les nombreux témoignages attestent que Mileva Marić et Albert Einstein collaborèrent étroitement depuis leur rencontre jusqu’à 1914. Albert le mentionna à plusieurs reprises dans ses lettres, comme lorsqu’il écrivit : “notre travail sur mouvement relatif“. Leur union était faite d’amour et de respect mutuel. C’est ce qui leur a permis de produire ensemble un travail hors du commun. Elle fut la première à reconnaître son talent. Sans elle, il n’aurait jamais réussi. Elle abandonna ses propres aspirations, heureuse de travailler avec lui et de contribuer à son succès, sentant qu’ils ne faisaient qu’un. Une fois enclenché, il devint impossible de faire marche arrière sur le processus de signer leur travail sous le seul nom d’Albert. Elle l’avait probablement accepté puisque son propre bonheur dépendait de son succès. Pourquoi Mileva est-elle restée silencieuse? Étant de nature discrète, elle ne recherchait pas les honneurs ou l’attention publique. Et comme dans tous les cas de collaboration étroite, les contributions individuelles de chacun sont presque toujours impossibles à départager.

Pauline Gagnon

Cet article fut d’abord publié en anglais au Magazine Scientific American dans la section Opinions

Pour en savoir plus sur la physique des particules et la matière sombre, consultez mon livre “Qu’est-ce que le boson de Higgs mange en hiver et autres détails essentiels“.

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Références :
(1) Radmila Milentijević
: Mileva Marić Einstein : Vivre avec Albert Einstein, Éditions L’Age d’Homme, 2014.
(2) Dord Krstić: Mileva & Albert Einstein: Their Love and Scientific Collaboration, Didakta, 2004.

(3) Desanka Trbuhović-Gjurić Mileva Marić Einstein : Dans l’ombre d’Albert Einstein : en serbe, 1969, allemand, 1982 et français, 1991.
(4) Milan Popović: In Albert’s Shadow, the Life and Letters of Mileva Marić, Einstein’s First Wife, The John Hopkins University Press, 2003.

(5) Renn and Schulmann, Albert Einstein / Mileva Marić, The Love Letters, Princeton University Press, 1992.

(6) Peter Michelmore, Einstein, Profile of the Man, Dodd, Mead & Company, 1962.

(7) R.S. Shankland, Conversation with Albert Einstein, Am. J. of Physics, 1962.

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Latest news from outer space on dark matter

Friday, December 16th, 2016

To celebrate the first five years of operation on board the International Space Station, Professor Sam Ting, the spokesperson for the Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) Collaboration just presented their latest results at a recent seminar held at CERN. With a sample of 90 million events collected in cosmic rays, they now have the most precise data on a wide range of particles found in outer space.

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source: ©NASA

Many physicists wonder if the AMS Collaboration will resolve the enigma on the origin of the excess of positrons found in cosmic rays. Positrons are the antimatter of electrons. Given that we live in a world made almost uniquely of matter, scientists have been wondering for more than a decade where these positrons come from. It is well known that some positrons are produced when cosmic rays interact with the interstellar material. What is puzzling is that more positrons are observed than what is expected from this source alone.

Various hypotheses have been formulated to explain the origin of these extra positrons. One particularly exciting possibility is that these positrons could emanate from the annihilation of dark matter particles. Dark matter is some form of invisible matter that is observed in the Universe mostly through its gravitational effects. Regular matter, everything we know on Earth but also everything found in stars and galaxies, emits light when heated up, just like a piece of heated metal glows.

Dark matter emits no light, hence its name. It is five times more prevalent than regular matter. Although no one knows, we suspect dark matter, just like regular matter, is made of particles but no one has yet been able to capture a particle of dark matter. However, if dark matter particles exist, they could annihilate with each other and produce an electron and a positron, or a proton and antiproton pair. This would at long last establish that dark matter particles exist and reveal some clues on their characteristics.

An alternative but less exotic explanation would be that the observed excess of positrons comes from pulsars. Pulsars are neutron stars with a strong magnetic field that emit pulsed light. But light is made of photons and photons can also decay into an electron and a positron. So both the pulsar and the dark matter annihilation provide a plausible explanation on the source of these positrons.

To tell the difference, one must measure the energy of all positrons found in cosmic rays and see how many are found at high energy. This is what AMS has done and their data are shown on the left plot below, where we see the flux of positrons (vertical axis) found at different energies (horizontal axis). The flux combines the number of positrons found with their energy cube. The green curve gives how many positrons are expected from cosmic rays hitting the interstellar material (ISM).

If the excess of positrons were to come from dark matter annihilation, no positron would be found with an energy exceeding the mass of the dark matter particle. They would have an energy distribution similar to the brown curve on the plot below as expected for dark matter particles having a mass of 1 TeV, a thousand times heavier than a proton. In that case, the positrons energy distribution curve would drop off sharply. The red dots represent the AMS data with their experimental errors shown by the vertical bars. If, on the other end, the positrons came from pulsars, the drop at high energy would be less pronounced.

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source: AMS Collaboration

The name of the game is therefore to figure out precisely what is happening at high energy. But there are much fewer positrons there, making it very difficult to see what is happening as indicated by the large error bars attached to the data points at higher energy. These indicate the size of the experimental errors.

But by looking at the fraction of positrons found in all data collected for electrons and positrons (right plot above), some of the experimental errors cancel out. AMS has collected over a million positrons and 16 million electrons. The red dots on the right plot show the fraction of positrons found in their sample as a function of energy. Given the actual precision of these measurements, it is still not completely clear if this fraction is really falling off at higher energy or not.

The AMS Collaboration hopes however to have enough data to distinguish the two hypotheses by 2024 when the ISS will cease operation. These projections are shown on the next two plots both for the positrons flux (left) and the positron fraction (right). As it stands today, both hypotheses are still possible given the size of the experimental errors.

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source: AMS Collaboration

There is another way to test the dark matter hypothesis. By interacting with the interstellar material, cosmic rays produce not only positrons, but also antiprotons. And so would dark matter annihilations but pulsars cannot produce antiprotons. If there were also an excess of antiprotons in outer space that could not be accounted for by cosmic rays, it would reinforce the dark matter hypothesis. But this entails knowing precisely how cosmic rays propagate and interact with the interstellar medium.

Using the AMS large sample of antiprotons, Prof. Sam Ting claimed that such excess already exists. He showed the following plot giving the fraction of antiprotons found in the total sample of protons and antiprotons as a function of their energy. The red dots represent the AMS measurements, the brown band, some theoretical calculation for cosmic rays, and the blue band, what could be coming from dark matter.

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source: AMS Collaboration

This plot clearly suggests that more antiprotons are found than what is expected from cosmic rays interacting with the interstellar material (ISM). But both Dan Hooper and Ilias Cholis, two theorists and experts on this subject, strongly disagree, saying that the uncertainty on this calculation is much larger. They say that the following plot (from Cuoco et al.) is by far more realistic. The pink dots represent the AMS data for the antiproton fraction. The data seem in good agreement with the theoretical prediction given by the black line and grey bands. So there are no signs of a large excess of antiprotons here. We need to wait for a few more years before the AMS data and the theoretical estimates are precise enough to determine if there is an excess or not.

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source: Cuoco, Krämer and Korsmeier, arXiv:1610.03071v1

The AMS Collaboration could have another huge surprise is stock: discovering the first antiatoms of helium in outer space. Given that anything more complex than an antiproton is much more difficult to produce, they will need to analyze huge amounts of data and further reduce all their experimental errors before such a discovery could be established.

Will AMS discover antihelium atoms in cosmic rays, establish the presence of an excess of antiprotons or even solve the positron enigma? AMS has lots of exciting work on its agenda. Well worth waiting for it!

Pauline Gagnon

To find out more about particle physics and dark matter, check out my book « Who Cares about Particle Physics: making sense of the Higgs boson, the Large Hadron Collider and CERN ».

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Du beau pain sur la planche pour la matière sombre

Friday, December 16th, 2016

Pour célébrer les cinq premières années d’opération à bord de la Station spatiale internationale, le Professeur Sam Ting, porte-parole de la Collaboration Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) vient de présenter leurs derniers résultats lors d’un récent séminaire tenu au CERN. Avec plus de 90 millions d’évènements recueillis dans les rayons cosmiques, ce groupe dispose des données les plus précises sur une vaste gamme de particules trouvées dans l’espace.

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source: ©NASA

La question qui intrigue de nombreux scientifiques est de savoir s’ils pourront résoudre l’énigme de l’origine de l’excès de positrons trouvés dans les rayons cosmiques. Les positrons sont l’antimatière des électrons. Étant donné que nous vivons dans un monde fait presque uniquement de matière, les scientifiques se demandent depuis plus d’une décennie d’où émanent ces positrons. Il est bien connu que des positrons sont produits lorsque les rayons cosmiques interagissent avec la matière interstellaire mais on en observe bien plus que ce à quoi on s’attendait de cette seule source.

Des hypothèses diverses ont été formulées pour expliquer l’origine de ces positrons excédentaires. Une des plus fascinantes suggère que ces positrons pourraient venir de l’annihilation de particules de matière sombre. La matière sombre est une nouvelle forme de matière invisible qu’on détecte dans l’Univers par ses effets gravitationnels. La matière régulière, tout ce que nous voyons sur la Terre, mais aussi dans les étoiles et les galaxies, émet de la lumière lorsque chauffée, tout comme une pièce métallique irradie à haute température.

La matière sombre n’émet aucune lumière, d’où son nom. Elle est cinq fois plus répandue que la matière régulière. Personne ne le sait encore mais on soupçonne que cette matière, tout comme la matière ordinaire, soit faite de particules, mais on n’a toujours pas capturé de particules de matière sombre. Mais si de telles particules existaient, elles pourraient s’annihiler entre elles, produisant des électrons et des positrons, ou des paires de protons et d’antiprotons. Si un tel processus était établi, cela confirmerait enfin l’existence de particules de matière sombre et révèlerait quelques indices sur leurs caractéristiques.

Une explication alternative mais moins exotique serait que l’excès observé de positrons provienne de pulsars. Les pulsars sont des étoiles à neutrons ayant un fort champ magnétique et qui émettent de la lumière pulsée. Mais la lumière est faite de photons et les photons peuvent eux aussi produire des paires d’électrons et de positrons. Donc, les pulsars tout comme l’annihilation de matière sombre, fournissent une explication plausible quant à la source de ces positrons.

Pour les distinguer, il faut mesurer l’énergie des positrons captés dans les rayons cosmiques et voir combien on en trouve à haute énergie. C’est ce que AMS a fait et leurs résultats sont visibles dans le graphe de gauche ci-dessous où nous voyons le flux de positrons (axe vertical) trouvé à une énergie particulière (axe horizontal). Le flux combine le nombre de positrons trouvés avec leur énergie au cube. La courbe en vert donne le nombre de positrons produits lorsque des rayons cosmiques frappent de la matière interstellaire (ISM).

Si l’excès de positrons devait venir de l’annihilation de matière sombre, on ne trouverait aucun positron au-delà de l’énergie correspondant à la masse des particules de matière sombre. Ils auraient une distribution d’énergie semblable à la courbe en brun sur le graphe ci-dessous tel que prédit pour des particules de matière sombre ayant une masse de 1 TeV, soit mille fois plus lourd qu’un proton. Dans ce cas, la courbe de distribution d’énergie des positrons chuterait rapidement. Les points en rouge représentent les données d’AMS avec leurs erreurs expérimentales indiquées par les barres verticales. Par contre, si les positrons venaient de pulsars, la chûte à haute énergie serait moins prononcée.

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source: Collaboration AMS

Toute la difficulté consiste à comprendre précisément leur comportement à haute énergie. Mais comme on y trouve moins de positrons, il est beaucoup plus difficile de voir ce qu’il en est comme l’indiquent les larges marges d’erreur associées aux mesures faites à plus haute énergie.

Mais si on mesure plutôt la fraction de positrons trouvés dans les données en combinant positrons et électrons, certaines des erreurs expérimentales s’annulent. AMS a rassemblé plus d’un million de positrons et 16 millions d’électrons. Les points en rouge sur le graphe de droite ci-dessus montrent la fraction de positrons trouvée dans leur échantillon en fonction de leur énergie. Malgré les pas de géants accomplis, la précision actuelle de ces mesures ne permet toujours pas d’établir clairement si cette fraction tombe abruptement à haute énergie ou pas.

La Collaboration AMS espère toutefois avoir assez de données pour distinguer les deux hypothèses d’ici à 2024, date à laquelle la Station Spatiale Internationale cessera ses opérations. On peut voir ces projections sur les deux graphes suivants tant pour le flux de positrons (à gauche) que pour la fraction de positrons (à droite). À ce jour, les deux hypothèses sont toujours valides étant donné la taille des erreurs expérimentales.

ams-2024

source: Collaboration AMS

L’hypothèse de la matière sombre peut aussi être testée d’une autre façon. En interagissant avec la matière interstellaire, les rayons cosmiques produisent non seulement des positrons mais aussi des antiprotons. Les annihilations de matière sombre pourraient aussi en produire mais pas les pulsars. Il faut donc déterminer s’il y a ou pas plus d’antiprotons dans l’espace que ce que les rayons cosmiques peuvent produire. Si c’était établi, ce serait un argument de plus contre l’hypothèse des pulsars. Mais pour ce faire, il faut savoir précisément comment les rayons cosmiques se propagent et interagissent avec la matière interstellaire.

S’appuyant sur le vaste échantillon d’antiprotons recueillis par AMS, le Prof. Sam Ting a soutenu qu’un tel excès existe, présentant le graphe suivant à l’appui. On y voit la fraction d’antiprotons trouvés dans l’échantillon total de protons et des antiprotons en fonction de leur énergie. Les points en rouge représentent les mesures d’AMS, la bande brune, les calculs théoriques pour les rayons cosmiques et la bande bleue, ce qui pourrait venir de la matière sombre.

antiproton-fraction

source: Collaboration AMS

Ce graphe suggère fortement un surplus d’antiprotons par rapport à ce que l’on s’attend des rayons cosmiques interagissant avec la matière interstellaire (ISM). Mais tant Dan Hooper qu’Ilias Cholis, deux théoriciens experts en la matière, s’objectent carrément, disant que l’incertitude sur les prédictions théoriques sont beaucoup plus grandes que ce que ce graphe suggère. Ils soutiennent que le graphe suivant (de Cuoco etal.) est de loin plus réaliste. Les points en rose représentent les données d’AMS pour la fraction d’antiprotons et le trait en noir, les prédictions théoriques avec leur marge d’erreur. Les deux concordent ou presque, suggérant l’absence de tout excès. Nous devrons patienter encore quelques années avant que les données d’AMS et les prédictions théoriques soient assez précises pour savoir s’il y a excès ou pas.

antiprotons-theorie

            source : Cuoco, Krämer and Korsmeier, arXiv:1610.03071v1

La Collaboration AMS pourrait nous réserver une autre belle surprise : la découverte d’antiatomes d’hélium dans l’espace. Étant donné l’extrême difficulté à produire une particule d’antimatière plus complexe qu’un antiproton, les scientifiques d’AMS devront trier d’énormes quantités de données et réduire toutes les erreurs expérimentales encore davantage avant qu’une telle découverte ne puisse être établie.

La découverte d’antihélium, ou celle d’un excès d’antiprotons ou encore la résolution de l’énigme des positrons, tout cela vaut bien la peine d’attendre encore quelques années. AMS a du beau pain sur la planche!
Pauline Gagnon

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Plusieurs petits pas mais pas de grand bond en avant

Friday, August 5th, 2016

Les grandes percées sont rares en physique. La recherche est plutôt jalonnée d’innombrables petites avancées et c’est ce qui ressortira de la Conférence Internationale de la Physique des Hautes Énergies (ICHEP) qui s’est ouverte hier à Chicago. On y espérait un pas de géant mais aujourd’hui les expériences CMS et ATLAS ont toutes deux rapporté que l’effet prometteur observé à 750 GeV dans les données de 2015 avait disparu. Il est vrai que ce genre de choses n’est pas rare en physique des particules étant donné la nature statistique de tous les phénomènes que nous observons.

CMS-2016-750GeV

Sur chaque figure, l’axe vertical indique le nombre d’évènements trouvés contenant une paire de photons dont la masse combinée apparaît sur l’axe horizontal en unités de GeV. (À gauche) Les points en noir représentent les données expérimentales recueillies et analysées jusqu’à présent par la Collaboration CMS, soit 12.9 fb-1, à comparer aux 2.7 fb-1 disponibles en 2015. Le trait vertical associé à chaque point représente la marge d’erreur expérimentale. En tenant compte de ces erreurs, les données sont compatibles avec ce à quoi on s’attend pour le bruit de fond, tel qu’indiqué par la courbe en vert. (À droite) Une nouvelle particule se serait manifestée sous forme d’un pic tel que celui en rouge si elle avait eu les mêmes propriétés que celles pressenties dans les données de 2015 à 750 GeV. Visiblement, les données expérimentales (points noirs) reproduisent simplement le bruit de fond. Il faut donc conclure que ce qui avait été aperçu dans les données de 2015 n’était que le fruit d’une variation statistique.

Mais dans ce cas, c’était particulièrement convainquant car le même effet avait été observé indépendamment par deux équipes qui travaillent sans se consulter et utilisent des méthodes d’analyse et des détecteurs différents. Cela avait déclenché beaucoup d’activités et d’optimisme : à ce jour, 540 articles scientifiques ont été écrits sur cette particule hypothétique qui n’a jamais existé, tant l’implication de son existence serait profonde.

Mais les théoriciens et théoriciennes ne furent pas les seuls à nourrir autant d’espoir. Beaucoup d’expérimentalistes y ont cru et ont parié sur son existence, un de mes collègues allant jusqu’à mettre en jeu une caisse d’excellent vin.

Si beaucoup de physiciens et physiciennes avaient bon espoir ou étaient même convaincus de la présence d’une nouvelle particule, les deux expériences ont néanmoins affiché la plus grande prudence. En l’absence de preuves irréfutables de sa présence, aucune des deux collaborations, ATLAS et CMS, n’a revendiqué quoi que ce soit. Ceci est caractéristique des scientifiques : on parle de découvertes seulement lorsqu’il ne subsiste plus aucun doute.

Mais beaucoup de physiciens et physiciennes, moi y compris, ont délaissé un peu leurs réserves, non seulement parce que les chances que cet effet disparaisse étaient très minces, mais aussi parce que cela aurait été une découverte beaucoup plus grande que celle du boson de Higgs, générant du coup beaucoup d’enthousiasme. Tout le monde soupçonne qu’il doit exister d’autres particules au-delà de celles déjà connues et décrites par le Modèle standard de la physique des particules. Mais malgré des années passées à leur recherche, nous n’avons toujours rien à nous mettre sous la dent.

Depuis que le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN opère à plus haute énergie, ayant passé de 8 TeV à 13 TeV en 2015, les chances d’une découverte majeure sont plus fortes que jamais. Disposer de plus d’énergie donne accès à des territoires jamais explorés auparavant.

Jusqu’ici, les données de 2015 n’ont pas révélé la présence de particules ou phénomènes nouveaux mais la quantité de données recueillies était vraiment limitée. Au contraire, cette année le LHC se surpasse, ayant déjà produit cinq fois plus de données que l’année dernière. On espère y découvrir éventuellement les premiers signes d’un effet révolutionnaire. Des dizaines de nouvelles analyses basées sur ces données récentes seront présentées à la conférence ICHEP jusqu’au 10 août et j’en reparlerai sous peu.

Il a fallu 48 ans pour découvrir le boson de Higgs après qu’il fut postulé théoriquement alors qu’on savait ce que l’on voulait trouver. Mais aujourd’hui, nous ne savons même pas ce que nous cherchons. Cela pourrait donc prendre encore un peu de temps. Il y a autre chose, tout le monde le sait. Mais quand le trouverons nous, ça, c’est une autre histoire.

Pauline Gagnon

Pour en savoir plus sur la physique des particules et les enjeux du LHC, consultez mon livre : « Qu’est-ce que le boson de Higgs mange en hiver et autres détails essentiels».

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Many small steps but no giant leap

Friday, August 5th, 2016

Giant leaps are rare in physics. Scientific research is rather a long process made of countless small steps and this is what will be presented throughout the week at the International Conference on High Energy Physics (ICHEP) in Chicago. While many hoped for a major breakthrough, today, both the CMS and ATLAS experiments reported that the promising effect observed at 750 GeV in last year’s data has vanished. True, this is not uncommon in particle physics given the statistical nature of all phenomena we observe.

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On both plots, the vertical axis gives the number of events found containing a pair of photons with a combined mass given in units of GeV (horizontal axis) (Left plot) The black dots represent all data collected in 2016 and analysed so far by the CMS Collaboration, namely 12.9 fb-1, compared to the 2.7 fb-1 available in 2015. The vertical line associated with each data point represents the experimental error margin. Taking these errors into account, the data are compatible with what is expected from various backgrounds, as indicated by the green curve. (Right) A new particle would have manifested itself as a peak as big as the red one shown here if it had the same features as what had been seen in the 2015 data around 750 GeV. Clearly, the black data points pretty much reproduce the background. Hence, we must conclude that what was seen in the 2015 data was simply due to a statistical fluctuation.

What was particularly compelling in this case was that the very same effect had been observed by two independent teams, who worked without consulting each other and used different detectors and analysis methods. This triggered frantic activity and much expectation: to date, 540 scientific theory papers have been written on a hypothetical particle that never was, so profound the implications of the existence of such a new particle would be.

But theorists were not the only ones to be so hopeful. Many experimentalists had taken strong bets, one of my colleagues going as far as putting a case of very expensive wine on it.

If many physicists were hopeful or even convinced of the presence of a new particle, both experiments nevertheless had been very cautious. Without unambiguous signs of its presence, neither the ATLAS nor the CMS Collaborations had made claims. This is very typical of scientists: one should not claim anything until it has been established beyond any conceivable doubt.

But many theorists and experimentalists, including myself, threw some of our caution to the air, not only because the chances it would vanish were so small but also because it would have been a much bigger discovery than that of the Higgs boson, generating much enthusiasm. As it stands, we all suspect that there are other particles out there, beyond the known ones, those described by the Standard Model of particle physics. But despite years spent looking for them, we still have nothing to chew on. In 2015, the Large Hadron Collider at CERN raised its operating energy, going from 8 TeV to the current 13 TeV, making the odds for a discovery stronger than ever since higher energy means access to territories never explored before.

So far, the 2015 data has not revealed any new particle or phenomena but the amount of data collected was really small. On the contrary, this year, the LHC is outperforming itself, having already delivered five times more data than last year. The hope is that these data will eventually reveal the first signs of something revolutionary. Dozens of new analyses based on the recent data will be presented until August 10 at the ICHEP conference and I’ll present some of them later on.

It took 48 years to discover the Higgs boson after it was first theoretically predicted when we knew what to expect. This time, we don’t even know what we are looking for. So it could still take a little longer. There is more to be found, we all know it. But when will we find it, is another story.

Pauline Gagnon

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Enough data to explore the unknown

Friday, June 17th, 2016

The Large Hadron Collider (LHC) at CERN has already delivered more high energy data than it had in 2015. To put this in numbers, the LHC has produced 4.8 fb-1, compared to 4.2 fb-1 last year, where fb-1 represents one inverse femtobarn, the unit used to evaluate the data sample size. This was achieved in just one and a half month compared to five months of operation last year.

With this data at hand, and the projected 20-30 fb-1 until November, both the ATLAS and CMS experiments can now explore new territories and, among other things, cross-check on the intriguing events they reported having found at the end of 2015. If this particular effect is confirmed, it would reveal the presence of a new particle with a mass of 750 GeV, six times the mass of the Higgs boson. Unfortunately, there was not enough data in 2015 to get a clear answer. The LHC had a slow restart last year following two years of major improvements to raise its energy reach. But if the current performance continues, the discovery potential will increase tremendously. All this to say that everyone is keeping their fingers crossed.

If any new particle were found, it would open the doors to bright new horizons in particle physics. Unlike the discovery of the Higgs boson in 2012, if the LHC experiments discover a anomaly or a new particle, it would bring a new understanding of the basic constituents of matter and how they interact. The Higgs boson was the last missing piece of the current theoretical model, called the Standard Model. This model can no longer accommodate new particles. However, it has been known for decades that this model is flawed, but so far, theorists have been unable to predict which theory should replace it and experimentalists have failed to find the slightest concrete signs from a broader theory. We need new experimental evidence to move forward.

Although the new data is already being reconstructed and calibrated, it will remain “blinded” until a few days prior to August 3, the opening date of the International Conference on High Energy Physics. This means that until then, the region where this new particle could be remains masked to prevent biasing the data reconstruction process. The same selection criteria that were used for last year data will then be applied to the new data. If a similar excess is still observed at 750 GeV in the 2016 data, the presence of a new particle will make no doubt.

Even if this particular excess turns out to be just a statistical fluctuation, the bane of physicists’ existence, there will still be enough data to explore a wealth of possibilities. Meanwhile, you can follow the LHC activities live or watch CMS and ATLAS data samples grow. I will not be available to report on the news from the conference in August due to hiking duties, but if anything new is announced, even I expect to hear its echo reverberating in the Alps.

Pauline Gagnon

To find out more about particle physics, check out my book « Who Cares about Particle Physics: making sense of the Higgs boson, the Large Hadron Collider and CERN », which can already be ordered from Oxford University Press. In bookstores after 21 July. Easy to read: I understood everything!

CMS-lumi-17juin

The total amount of data delivered in 2016 at an energy of 13 TeV to the experiments by the LHC (blue graph) and recorded by CMS (yellow graph) as of 17 June. One fb-1 of data is equivalent to 1000 pb-1.

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Assez de données pour explorer l’inconnu

Friday, June 17th, 2016

Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN a déjà produit depuis avril plus de données à haute énergie qu’en 2015. Pour quantifier le tout, le LHC a produit 4.8 fb-1 en 2016, à comparer aux 4.2 fb-1 de l’année dernière. Le symbole fb-1 représente un femtobarn inverse, l’unité utilisée pour évaluer la taille des échantillons de données. Tout cela en à peine un mois et demi au lieu des cinq mois requis en 2015.

Avec ces données en réserve et les 20-30 fb-1 projetés d’ici à novembre, les expériences ATLAS et CMS peuvent déjà repousser la limite du connu et, entre autres, vérifier si les étranges événements rapportés fin 2015 sont toujours observés. Si cet effet était confirmé, il révèlerait la présence d’une nouvelle particule ayant une masse de 750 GeV, soit six fois plus lourde que le boson de Higgs. Malheureusement en 2015, il n’y avait pas suffisamment de données pour obtenir une réponse claire. Après deux ans de travaux majeurs visant à accroître sa portée en énergie, le LHC a repris ses opérations l’an dernier mais à faible régime. Si sa performance actuelle se maintient, les chances de faire de nouvelles découvertes seront décuplées. Tout le monde garde donc les doigts croisés.

Toute nouvelle particule ouvrirait la porte sur de nouveaux horizons en physique des particules. Contrairement à la découverte du boson de Higgs en 2012, si les expériences du LHC révèlent une anomalie ou l’existence d’une nouvelle particule, cela modifierait notre compréhension des constituants de base de la matière et des forces qui les régissent. Le boson de Higgs constituait la pièce manquante du Modèle standard, le modèle théorique actuel. Ce modèle ne peut plus accommoder de nouvelles particules. On sait pourtant depuis des décennies qu’il est limité, bien qu’à ce jour, les théoriciens et théoriciennes n’aient pu prédire quelle théorie devrait le remplacer et les expérimentalistes ont échoué à trouver le moindre signe révélant cette nouvelle théorie. Une évidence expérimentale est donc absolument nécessaire pour avancer.

Bien que les nouvelles données soient déjà en cours de reconstruction et de calibration, elles resteront “masquées” jusqu’à quelques jours avant le 3 août, date d’ouverture de la principale conférence de physique cet été. D’ici là, la région où la nouvelle particule pourrait se trouver est masquée afin de ne pas biaiser le processus de reconstruction des données. A la dernière minute, on appliquera aux nouvelles données les mêmes critères de sélection que ceux utilisés l’an dernier. Si ces évènements sont toujours observés à 750 GeV dans les données de 2016, la présence d’une nouvelle particule ne fera alors plus aucun doute.

Mais même si cela s’avérait n’être qu’une simple fluctuation statistique, ce qui arrive souvent en physique de par sa nature, la quantité de données accumulée permettra d’explorer une foule d’autres possibilités. En attendant, vous pouvez suivre les activités du LHC en direct ou voir grandir les échantillons de données de CMS et d’ATLAS. Je ne pourrai malheureusement pas vous rapporter ce qui sera présenté à la conférence en août, marche en montagne oblige, mais si une découverte quelconque est annoncée, même moi je m’attends à entendre son écho résonner dans les Alpes.

Pauline Gagnon

Pour en apprendre plus sur la physique des particules, ne manquez pas mon livre « Qu’est-ce que le boson de Higgs mange en hiver et autres détails essentiels » disponible en librairie au Québec et en Europe, de meme qu’aux Editions MultiMondes. Facile à lire : moi, j’ai tout compris!

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Graphe cumulatif montrant la quantité de données produites à 13 TeV en 2016 par le LHC (en bleu) et récoltées par l’expérience CMS (en jaune) en date du 17 juin.

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Two steps closer to a possible discovery

Friday, March 18th, 2016

Has CERN discovered a new particle or not? Nobody knows yet, although we are now two steps closer than in December when the first signs of a possible discovery were first revealed.

First step: both the ATLAS and CMS experiments showed yesterday at the Moriond conference that the signal remains after re-analyzing the 2015 data with improved calibrations and reconstruction techniques. The faint signal still stands, even slightly stronger (see the Table). CMS has added new data not included earlier and collected during a magnet malfunction. Thanks to much effort and ingenuity, the reanalysis now includes 20% more data. Meanwhile, ATLAS showed that all data collected at lower energy up to 2012 were also compatible with the presence of a new particle.

The table below shows the results presented by CMS and ATLAS in December 2015 and February 2016. Two hypotheses were tested, assuming different characteristics for the hypothetical new particle: the “spin 0” case corresponds to a new type of Higgs boson, while “spin 2” denotes a graviton.

The label “local” means how strong the new signal appears locally at a mass of 750 or 760 GeV, while “global” refers to the probability of finding a small excess over a broad range of mass values. In physics, statistical fluctuations come and go. One is bound to find a small anomaly when looking all over the place, which is why it is wise to look at the bigger picture. So globally, the excess of events observed so far is still very mild, far from the 5σ criterion required to claim a discovery. The fact that both experiments found it independently is what is so compelling.

table-750GeV

 

But mostly, the second step, we are closer to potentially confirming the presence of a new particle simply because the restart of the Large Hadron Collider is now imminent. New data are expected for the first week of May. Within 2-3 months, both experiments will then know.

We need more data to confirm or refute the existence of a new particle beyond any possible doubt. And that’s what experimental physicists are paid to do: state what is known about Nature’s laws when there is not even the shadow of a doubt.

That does not mean than in the meantime, we are not dreaming since if this were confirmed, it would be the biggest breakthrough in particle physics in decades. Already, there is a frenzy among theorists. As of 1 March, 263 theoretical papers have been written on the subject since everybody is trying to find out what this could be.

Why is this so exciting? If this turns out to be true, it would be the first particle to be discovered outside the Standard Model, the current theoretical framework. The discovery of the Higgs boson in 2012 had been predicted and simply completed an existing theory. This was a feat in itself but a new, unpredicted particle would at long last reveal the nature of a more encompassing theory that everybody suspects exists but that nobody has found yet. Yesterday at the Moriond conference, Alessandro Strumia, a theorist from CERN, also predicted that this particle would probably come with a string of companions.

Theorists have spent years trying to imagine what the new theory could be while experimentalists have deployed heroic efforts, sifting through huge amounts of data looking for the smallest anomaly. No need to say then that the excitement is tangible at CERN right now as everybody is holding their breath, waiting for new data.

Pauline Gagnon

To learn more about particle physics and what might be discovered at the LHC, don’t miss my upcoming book : « Who cares about particle physics : Making sense of the Higgs boson, Large Hadron Collider and CERN »

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Deux pas de plus vers une découverte

Friday, March 18th, 2016

Le CERN a-t-il découvert une nouvelle particule ou pas? Personne ne le sait encore, bien que nous ayons maintenant fait deux pas de plus depuis le dévoilement des premiers signes d’une possible découverte en décembre.

Premier pas : les expériences ATLAS et CMS ont montré hier à la conférence de Moriond que les signes d’un signal persistent après la réanalyse des données de 2015 à l’aide de calibrations et de techniques de reconstruction améliorées. Le faible signal est même légèrement renforci (voir tableau). CMS a ajouté de nouvelles données recueillies durant une défaillance de leur aimant. Après beaucoup d’efforts et d’ingéniosité, ceci ajoute 20 % de données supplémentaires. De son côté, ATLAS a montré que toutes les données accumulées à moindre énergie jusqu’à 2012 étaient aussi compatibles avec la présence d’une nouvelle particule.

Le tableau ci-dessous montre les résultats présentés par CMS et ATLAS en décembre 2015 et février 2016. Deux hypothèses ont été testées, chacune correspondant à des caractéristiques différentes pour cette hypothétique particule : “spin 0” correspond à un nouveau type de boson de Higgs, tandis que “spin 2” dénote un graviton.

Local” se réfère à l’intensité du signal lorsque mesuré pour une particule ayant une masse de 750 ou 760 GeV, tandis que “global” indique la probabilité de trouver un petit excès sur une large gamme de valeurs de masse. En physique, les fluctuations statistiques sont monnaies courantes. On trouve toujours une petite anomalie lorsqu’on cherche dans tous les coins. Il est donc sage de prendre en compte un intervalle élargi. Globalement donc, l’excédent d’événements observé est toujours très limité. On est encore bien loin de la barre des 5σ, le critère utilisé pour une découverte. Ce qui est très fort par contre, c’est que les deux expériences l’ont trouvé indépendamment.

tableau-750GeV

Le deuxième et bien plus grand pas franchi, c’est que la confirmation possible de la présence d’une nouvelle particule se rapproche simplement parce que la reprise du Grand Collisionneur de Hadrons est imminente. On attend les nouvelles données début mai. Dans 2 ou 3 mois, les deux expériences connaîtront enfin la réponse

Mais sans plus de données, impossible de confirmer ou réfuter l’existence d’une nouvelle particule avec certitude. Et c’est justement pour cela qu’on paie les physiciens et physiciennes: déterminer les lois de la Nature sans qu’il ne subsiste l’ombre d’un doute.

Cela n’empêche personne de rêver en attendant, car si ceci était confirmé, ce serait la plus grande percée en physique des particules depuis des décennies. Déjà, la frénésie s’est emparée des théoriciens et théoriciennes. On comptait en date du premier mars 263 articles théoriques sur le sujet. Tout le monde essaye de déterminer ce que cela pourrait être.

Pourquoi est-ce si passionnant ? Si elle existe, ce serait la première particule à être découverte à l’extérieur du Modèle Standard, la théorie actuelle. La découverte du boson de Higgs en 2012 avait été prévue et avait simplement complété une théorie existante. Un exploit, bien sûr, mais la découverte d’une particule imprévue révèlerait enfin la nature d’une théorie plus vaste dont tout le monde soupçonne l’existence, mais qui n’a pas encore été trouvée. Hier à la conférence de Moriond, Alessandro Strumia, un théoricien du CERN, a prédit que cette particule s’accompagnerait probablement d’une kyrielle de nouvelles particules.

Les théoriciens et théoriciennes ont passé des années à essayer d’imaginer cette nouvelle théorie tandis que du côté expérimental, on a déployé des efforts héroïques à trier des quantités faramineuses de données à la recherche de la moindre anomalie. Nul besoin de dire que l’atmosphère est fébrile en ce moment au CERN; tout le monde retient son souffle en attendant les nouvelles données.

Pauline Gagnon

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