Une école d’été annuelle de l’IP plonge les élèves dans un univers d’idées

Pouvez-vous faire avancer un bateau sans pièces mobiles? La réponse est oui, grâce à la physique des champs électromagnétiques. Lors d’un jeudi après-midi bien rempli de juillet, 38 élèves du secondaire provenant de partout au Canada et du monde entier testent les lois de la physique en construisant leur propre système de propulsion à l’aide d’une batterie capable de produire une poussée avec les ions de sodium et de chlore dissous dans de l’eau du robinet. Ce n’est là qu’un exemple des nombreuses leçons pratiques abordées dans une session de 2 semaines et toutes conçues pour présenter des concepts de physique à de jeunes apprentis passionnés.

L’École d’été internationale pour jeunes physiciens et physiciennes (en abrégé ISSYP pour International Summer School for Young Physicists) de l’Institut Périmètre a été créée en 2003. Depuis quelques années, les circonstances forcent la tenue de cette école en ligne, mais son contenu demeure solide et l’esprit de corps bien réel au sein du groupe, ce qui permet aux élèves de s’intéresser à la science de pointe, de s’instruire auprès de physiciens professionnels et de tisser des liens avec leurs pairs.

Tout comme les physiciens repoussent les limites de la science, l’ISSYP va au-delà des conventions habituelles d’un programme en ligne. À titre d’exemple, une séance sur les trous noirs comprend au début un jeu-questionnaire, et plus tard un clavardage interactif alternant blagues amusantes et questions sérieuses sur le sujet étudié. Le déroulement de la séance permet aux élèves de répondre aux questions de leurs pairs et d’interagir en temps réel avec les animateurs.

Plusieurs stratégies d’enseignement sont employées, surtout l’apprentissage auprès des pairs et par l’expérience plutôt qu’au moyen de cours magistraux. De plus, les élèves ont passé 4 après-midis sous le mentorat de chercheurs de l’Institut Périmètre, travaillant sur des problèmes de recherche qui simulaient le milieu de collaboration entre physiciens — avec beaucoup de temps pour des questions, des questions, et encore des questions.

Ce format ouvert et interactif joue un rôle crucial dans le succès de l’ISSYP. Une participante de cette année, Arya Gönüllü, de Turquie, a déclaré à propos de ce format : « Il vous met à l’aise de poser des questions. Vous pouvez poser en toute liberté des questions sur ce que vous voulez découvrir à propos de l’univers, sans que personne ne vous juge.

« Tout se passe exclusivement entre vous, l’univers qui attend d’être découvert, et vos mentors. » [traduction]

L’ISSYP plonge au cœur des mystères de l’univers, notamment la mécanique quantique, la cosmologie, la relativité et la physique des particules. Mais elle vise aussi à créer des liens et à procurer un peu de divertissement. Pour Arya Gönüllü et ses pairs, dont Sampoorna Prakash, d’Ottawa, les points saillants ont été les jeux d’évasion, où les participants travaillaient par équipes, afin de résoudre des problèmes dans les délais fixés, en faisant appel à la logique et aux notions de physique qu’ils venaient d’apprendre. Ceux qui n’avaient pas fini à temps se regroupaient plus tard pour terminer la partie.

« Les liens que j’ai établis avec mes pairs ont été très précieux, dit Sampoorna Prakash. Si j’avais des questions, je les posais à l’occasion d’une conversation, et mes pairs me donnaient immédiatement des réponses. Cela contribuait à dissiper mes doutes, ce qui m’aidait beaucoup. » [traduction]

Les motivations variaient légèrement d’un participant à l’autre. Par exemple, Stryder Hamilton, d’Alberta, voulait assouvir une passion qu’il avait depuis l’école primaire :

« Mon père m’a offert en cadeau Une brève histoire du temps alors que j’étais en 4^e année. Il me disait que je n’en tirerais peut-être pas grand-chose, mais de le lire et de voir ce qui me plairait. Depuis lors, je n’ai pas cessé d’être obsédé par la physique théorique. » [traduction]

Pour sa part, Sampoorna Prakash avait hâte d’en apprendre davantage sur les trous noirs et le cosmos. « Je voulais participer à l’ISSYP pour me plonger plus à fond dans l’astrophysique, dit-elle. Je voulais en savoir plus sur les phénomènes qui se produisent dans l’univers. » [traduction]

Quant à Arya Gönüllü, elle était passionnée par les mystères de la physique, disant : « Les physiciens font toujours face à un problème insurmontable : nous pensons chaque fois que la réponse à une question nous apportera la satisfaction. Mais cela ne se produit jamais. Toute réponse mène à encore davantage de questions. C’est cela qui me tient en éveil. C’est stimulant. » [traduction]

L’ISSYP avait quelque chose à offrir à tous les participants et, pour apprendre, ceux-ci sont allés directement à la source : des physiciens professionnels les ont personnellement guidés dans certains des sujets les plus difficiles de la science. À titre d’exemple, le conférencier principal Timothy Hsieh, professeur à l’Institut Périmètre et ancien de l’ISSYP, a initié les participants au monde de la physique quantique. Il leur a déclaré :

« J’ai participé à l’ISSYP il y a des années… C’était la première fois que j’entendais parler de mécanique quantique, et cela m’a tout simplement époustouflé. Depuis lors, j’ai l’esprit constamment occupé par la mécanique quantique. J’espère donc parvenir à vous communiquer certaines des étranges caractéristiques de la mécanique quantique et ses conséquences… Idéalement, l’un ou l’une d’entre vous sera de retour ici dans plus ou moins une décennie pour faire une bien meilleure version de cet exposé. » [traduction]

Les élèves ont eu en outre l’occasion de poser des questions à des physiciens à toutes les étapes de leur vie — étudiants de 1^er cycle, doctorants, professeurs, ingénieurs de jeunes pousses du domaine quantique, y compris plusieurs autres anciens de l’ISSYP. Après 20 ans d’existence, l’ISSYP compte plus de 900 anciens dans 60 pays, qui forment un réseau considérable et ouvert d’individus partageant une même passion pour la physique.

Le fait d’avoir un aperçu des possibilités offertes aux physiciens a aidé les participants à comprendre où leurs études pourraient les mener dans l’avenir.

Kelly Foyle, animatrice principale de l’ISSYP, a déclaré aux élèves lors de la cérémonie de clôture : « Peu importe que vous deveniez des chercheurs en physique ou que vous suiviez une autre voie, j’espère que vous conserverez les compétences-clés des physiciens : poser des questions sur le monde qui vous entoure; penser de manière créative; faire preuve de curiosité; travailler en collaboration; avoir le courage d’essayer des choses qui pourraient fort bien échouer. » [traduction]

Ali Kahnamouee, gestionnaire communautaire chez RBC, s’est également joint à la séance finale du programme pour souligner les réalisations des élèves. « Je suis tout simplement époustouflé par tout ce que vous avez accompli, a-t-il déclaré : informatique quantique, équation de Schrödinger, et même un voyage dans le temps et de la poésie. C’est absolument remarquable. L’ISSYP a mis des centaines de scientifiques en herbe sur la voie d’études avancées et de carrières prometteuses. Les penseurs innovants tels que vous tous ont la capacité et le potentiel de changer le monde. Et préparer les jeunes d’aujourd’hui à devenir les inventeurs et innovateurs de demain commence par des programmes comme l’ISSYP.

« Nous sommes très chanceux d’avoir ici à Waterloo ce centre de recherche, d’innovation et de découverte de renommée mondiale. Et je sais que notre avenir est très brillant avec de jeunes esprits comme les vôtres qui montrent la voie à suivre. » [traduction]

Les participants ont le sentiment d’avoir trouvé quelque chose de particulier en suivant le programme. « C’est une communauté de gens du monde entier qui ont en commun d’être stimulés par la physique, a déclaré Arya Gönüllü. À l’ISSYP, on a l’impression d’avoir trouvé un endroit compatible avec nos intérêts. » [traduction]

Stryder Hamilton a apprécié que l’ISSYP lui donne la possibilité de comprendre les mathématiques qui sous-tendent les concepts qui le fascinent.

« L’ISSYP a fourni un contexte très intéressant pour me faire passer de mes cours habituels à un programme beaucoup plus avancé et rigoureux, dit-il. Je n’avais jamais eu l’occasion d’appliquer les mathématiques d’une manière aussi approfondie.

« Peu importe vos points forts ou ce que sont d’après vous vos lacunes, il y a ici des scientifiques extraordinaires prêts à discuter et à vous amener encore plus loin. Peu importe ce qui vous manque dans vos connaissances en physique, vous pouvez le trouver ici. » [traduction]

L’ISSYP est financé par la Fondation RBC, dans le cadre du programme Objectif avenir RBC.

Les images qui suivent contiennent des poèmes composés en anglais par les participants à l’ISSYP 2022. Chaque image est suivie d’une traduction libre en français qui vise à donner le sens général du poème.

Expériences

L’éxpérimentation, de KamLAND au SNO,
A été déterminante pour nous faire savoir
Que lorsque l’on projette (dans un faisceau) des neutrinos,
Ils changent de saveur selon le modèle ci-contre.
Dans des laboratoires souterrains en profondeur,
On obtient des résultats surprenants,
Notamment sur leur comportement quantique.
Et ces étranges graphiques d’ondes
Montrent les résultats de leur détection.

Légende du graphique : – – – Probabilité officielle † Données de KamLAND

Double désintégration β sans neutrinos

Les neutrons peuvent se désintégrer en protons
et (étonnamment) en neutrinos et leptons.

Lorsque deux neutrons se décomposent en parallèle,
On peut émettre l’hypothèse selon laquelle
Les neutrinos deviennent leurs propres antiparticules,
Ce qui donne lieu à de nombreuses publications.

Dans notre univers, il y a une règle
De conservation du nombre de leptons.
Et si les antineutrinos se désintégraient en protons et leptons,
Il y aurait variation du nombre de leptons,
Et donc absence de conservation!

En résumé et pour conclure,
La double désintégration β sans neutrinos
Pourrait violer les lois de la physique…

Oscillations de neutrinos

Les neutrinos, qui sont (presque) sans masse,
Ont une propriété qu’il est difficile de voir.
En voyageant, lentement ils changent,
Prenant de nouvelles formes exotiques et étranges.
Les neutrinos existent dans un espace vectoriel de masse,
Mais lorsqu’ils voyagent, ils changent de classe,
De sorte qu’il est difficile de les identifier.
Ils volent et changent, en toute liberté.

Pour calculer l’oscillation,
On utilise comme notation.
Les mathématiques peuvent sembler compliquées,
Mais elles peuvent être reproduites, il n’y a pas de quoi se tracasser.
Il semble même plus simple de savoir
Que tout repose sur des nombres complexes.
Voyez, les mathématiques le confirment
Et ne sont pas si complexes.

Création de neutrinos

Ils sont ici, ils sont là, ils sont partout.
Des milliards de neutrinos vous heurtent dans le cou!

Fusion, fission, supernovas et désintégration,
Et même des rayons cosmiques la production

Sont des processus qui suscitent la réflexion,
Créant des neutrinos pour le tau, le muon, et l’électron.

Les bosons W sont les meilleurs amis du neutrino :
Ils interviennent dans la désintégration et donnent finalement un neutrino!