Serge Korff n’a pas chômé dans les années 1930. Il a obtenu son doctorat en physique en 1931 à l’université de Princeton – où il a également obtenu sa licence et sa maîtrise – et s’est lancé dans une longue quête : découvrir les secrets des particules énergétiques qui filtrent de l’espace à travers l’atmosphère terrestre. C’est ce qu’on appelle les rayons cosmiques.
Ses recherches l’amènent à CalTech et à l’Observatoire du Mont Wilson en tant que chercheur associé en 1932 ; dans les montagnes du Pérou en 1934 et 1935, ainsi qu’au Brésil et en Guyane britannique ; à la Carnegie Institution à Washington en 1936 ; et, pour le reste de la décennie, à la Bartol Research Foundation dans le Delaware (USA), en tant que chercheur associé.
En 1939, il fait une percée importante. Le Dr Korff effectue des relevés cosmiques à l’aide de radiosondes, un dispositif transporté dans la haute atmosphère par un ballon d’hélium ou d’hydrogène. Son appareil comprenait un compteur proportionnel rempli de trifluorure de bore (BF3) afin de détecter les neutrons dans le rayonnement cosmique produit par les étoiles. Avec ses collègues physiciens, Hans Bethe et George Placzek, il a écrit On the Interpretation of Neutron Measurements in Cosmic Radiation (Interprétation des mesures de neutrons dans le rayonnement cosmique) pour la revue scientifique Physical Review, qui a été publiée le 1er avril 1940.
La principale découverte du Dr Korff en 1939 était que les rayons cosmiques qui bombardaient l’atmosphère produisaient des neutrons. À partir de là, il a prédit que « la réaction entre ces neutrons et l’azote 14, qui prédomine dans l’atmosphère, produirait du carbone 14 ». Dix ans avant la prédiction du Dr Korff, l’isotope stable du carbone, le carbone 13, avait été découvert par les physiciens Arthur S. King et Raymond T. Birge. Le carbone 14, quant à lui, n’avait pas encore été découvert.
Création du carbone 14
Comme il était impossible de trouver le carbone 14 dans la Nature avec la technologie scientifique de l’époque, deux physiciens du laboratoire des radiations de l’université de Californie à Berkeley ont décidé d’essayer de créer le radio-isotope artificiellement. Martin Kamen et Samuel Ruben ont commencé leurs expériences en 1939.
C’est le 27 février 1940, après un an de tests, que Martin Kamen et Samuel Ruben ont découvert l’existence de l’isotope de huit neutrons et de six protons qu’est le carbone 14.
Ils ont également découvert que le carbone 14 avait une demi-vie d’environ 5700 ans (plus tard révisée à 5730 ans), ce qui signifie que « la moitié des atomes d’un échantillon se transformeront en d’autres atomes, un processus connu sous le nom de ‘désintégration’, dans ce laps de temps ».
L’isotope du carbone le plus courant est le carbone 12, qui représente 98,93 % du carbone terrestre. Le carbone 13, avec ses sept neutrons et ses six protons, représente 1,1 % du carbone terrestre. Ces deux isotopes du carbone sont stables et non radioactifs. Compte tenu de ces pourcentages, on pourrait penser qu’il n’y a plus de place sur Terre pour le carbone 14. Mais en fait, il représente 0,0001 % du carbone sur Terre, et il est à la fois instable et radioactif.
La découverte de cet isotope du carbone n’était cependant qu’un début. Au cours des cinq années suivantes, la plupart de ces physiciens, parmi beaucoup d’autres, ont été impliqués dans le projet Manhattan, l’effort de la Seconde Guerre mondiale pour créer la bombe atomique. Tragiquement, Samuel Ruben est mort en 1943 alors qu’il étudiait le phosgène, un gaz toxique, dans un laboratoire. L’année même de la mort de Samuel Ruben, Martin Kamen a été affecté au projet Manhattan, mais peu de temps après, sa carrière a été ruinée pendant un certain temps lorsque des journalistes ont faussement fait état d’une relation soviétique.
Des théories sur le carbone 14 et beaucoup d’aide
Une fois la guerre terminée en 1945, de nombreux physiciens se sont de nouveau intéressés au carbone 14, qui restait, pour des raisons évidentes, insaisissable. Un physicien, Willard Libby, de l’université de Chicago, a été inspiré par les recherches, les découvertes et les prédictions des physiciens susmentionnés, en particulier du Dr Korff.
Willard Libby s’est consacré à l’étude de l’isotope du carbone et a fait sa propre prédiction théorique concernant la désintégration radioactive. Dans un article publié en 1946 dans la revue Physical Review, il a théorisé que, puisque le carbone 14 était présent dans l’atmosphère, il pouvait se trouver dans tout être vivant. En outre, le carbone 14 étant radioactif et ayant une très longue demi-vie, et en supposant que le taux de concentration du carbone 14 dans l’atmosphère soit constant sur des milliers d’années, il serait possible d’établir l’âge des organismes préexistants. Sa proposition a été appelée « datation par le carbone ».
Ces théories reposaient toutefois sur un carbone qui n’avait pas encore été découvert à l’état naturel. Willard Libby a fondé une partie de sa théorie sur les calculs théoriques du Dr Korff concernant l’existence du carbone 14 dans l’atmosphère. Les calculs de Libby suggéraient un ratio d’un atome de carbone 14 pour 10 à la puissance 12 atomes de carbone. Comme il n’existait pas de technologie suffisamment sensible pour détecter cet atome spécifique, le professeur avait besoin d’aide pour consolider sa théorie. Il demanda à Aristid von Grosse, chimiste nucléaire, de lui fournir un échantillon de méthane enrichi en carbone 14 pour réaliser une expérience.
Willard Libby, avec son assistant Ernest Anderson, étudiant diplômé, a testé sa théorie à l’aide de l’échantillon de Grosse et d’un compteur Geiger. L’expérience a fonctionné, prouvant « l’existence du carbone 14 naturel ». En outre, son rapport s’est avéré exact.
Finies les coïncidences
Ces deux théories étant prouvées, il était maintenant temps de tester sa théorie de la datation au radiocarbone. Serait-il possible de dater avec précision la vie des choses ? Même les choses qui ont vécu avant la civilisation ? Willard Libby et son équipe de l’université de Chicago se sont attelés à la construction d’un compteur ultrasensible.
L’équipe a construit un appareil composé d’un cylindre entouré de tubes de compteur Geiger qui pouvaient également détecter les radiations extérieures, ce qui permettait d’indiquer si un atome de carbone 14 provenait ou non de l’organisme à l’intérieur du cylindre. L’appareil était protégé par des tôles d’acier afin de réduire les radiations extérieures indésirables. Willard Libby l’a appelé « compteur anticoïncidence ». Après quelques essais et erreurs, le système fonctionne de manière fiable. Il est maintenant temps de l’utiliser pour tester la datation au radiocarbone.
Comme point de départ de la datation au radiocarbone, Willard Libby a basé la structure temporelle sur le cycle du carbone, qui est « le processus qui déplace le carbone entre les plantes, les animaux et les microbes, les minéraux de la terre et l’atmosphère ». Il a postulé que lorsque quelque chose mourait, l’organisme était immédiatement coupé du cycle du carbone et que, par conséquent, l’horloge de la datation au carbone démarrait immédiatement. Ces organismes agiraient comme une sorte de capsule temporelle, du moins selon la théorie.
Tester le connu
L’équipe de Willard Libby a décidé qu’il valait mieux commencer par tester des objets dont on connaissait déjà l’âge. Les premiers échantillons furent des arbres : des séquoias et des sapins. L’âge des arbres était facile à calculer en utilisant leurs anneaux de croissance annuels. De manière plus extravagante, l’équipe a prélevé un morceau de bois sur le bateau funéraire du pharaon égyptien Senusret III, décédé en 1839 avant Jésus-Christ.
Willard Libby et son équipe ont continué à prélever des échantillons d’artefacts et à noter leurs découvertes. En décembre 1949, la revue Science a publié les conclusions de Willard Libby et de son collègue James R. Arnold, un chimiste nucléaire qui avait également participé au projet Manhattan.
Les auteurs ont expliqué que leur « technique de mesure consistait à combiner environ une once de bois, à collecter le dioxyde de carbone, à le réduire en carbone élémentaire avec du magnésium métallique chaud et à mesurer 8 g de ce carbone répartis uniformément sur la surface de 400 cm² du cylindre d’échantillonnage dans un compteur protégé par une paroi de filtre ». Les auteurs ont également publié un graphique qu’ils ont appelé la « courbe des connaissances », qui situait ces échantillons de bois avec les dates connues et le résultat de la datation au radiocarbone. Les résultats furent révolutionnaires.
« Il est rare qu’une seule découverte en chimie ait un tel impact sur la pensée dans tant de domaines de l’activité humaine », a noté le chimiste de renom Kenneth Pitzer. « Rarement une découverte aura suscité un tel intérêt de la part du public. »
La « révolution du radiocarbone »
La découverte et la méthode de Willard Libby ont complètement révolutionné de nombreux domaines scientifiques en créant un « outil inestimable pour les archéologues, les paléontologues et tous ceux qui recherchent des dates fiables pour la matière organique ». Le compteur d’anticoïncidence a lancé ce qui allait devenir la « révolution du radiocarbone ».
Au cours de la décennie suivante, plus de 30 laboratoires de radiocarbone ont été créés dans le monde entier. La révolution était mondiale et la datation des objets anciens pouvait désormais être évaluée de manière fiable et précise.
Comme le souligne David Mazziotti, professeur de chimie à l’université de Chicago, « la méthode de Willard Libby est restée pendant plusieurs décennies le seul moyen de mesurer le carbone 14 dans des échantillons et a longtemps été considérée comme le moyen le plus précis de dater la désintégration du carbone ».
Willard Libby a reçu le prix Nobel de chimie en 1960 pour ses travaux sur le radiocarbone. Dans son discours d’acceptation, il a évoqué le travail du Dr Serge Korff et de tous ceux qui ont contribué à la création du compteur à anticoïncidence et, par conséquent, à l’établissement de la technique transformatrice de la datation par le radiocarbone.
Au cours des décennies qui ont suivi, la technologie s’est considérablement améliorée par rapport à la base qui, comme l’a fait remarquer Willard Libby, avait déjà « répondu à nos espoirs les plus chers ». Lorsque cette technique de datation a été introduite pour la première fois, l’estimation de la précision de la datation couvrait environ 20.000 ans. Aujourd’hui, grâce aux progrès technologiques, comme le spectromètre de masse à accélérateur, il est possible de dater avec précision des artefacts anciennement vivants remontant jusqu’à 50.000 ans.
« La technique de datation […] est un peu comme la discipline chirurgicale : propreté, soin, sérieux et pratique », a déclaré Willard Libby. « Grâce à ces éléments, il est possible d’obtenir des datations au radiocarbone qui sont cohérentes et qui peuvent effectivement aider à remonter les pages de l’histoire et à révéler à l’humanité quelque chose de plus sur ses ancêtres et, de cette façon, peut-être sur son avenir. »
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