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Oct 02, 2023

Des chercheurs allemands nous rapprochent de la fabrication d'horloges nucléaires

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Une collaboration entre des chercheurs de divers instituts en Allemagne nous a rapprochés de la construction de la toute première horloge nucléaire. Dans des expériences menées à l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN), les chercheurs mesurent la désintégration radiative de l'isomère nucléaire du thorium-229, le premier exemple d'avoir réalisé cet exploit et un composant essentiel pour la construction d'horloges nucléaires.

Pendant des années, les horloges atomiques ont été notre norme de précision en matière d'horloges. Les meilleures horloges atomiques optiques ont un taux de précision de 10-18, ce qui équivaut à une imprécision d'une seconde tous les 30 milliards d'années.

Une horloge optique nucléaire devrait être au moins 10 fois plus précise. Alors qu'il a été proposé pour la première fois il y a plus de deux décennies, les chercheurs n'ont pu faire quelques progrès dans sa direction qu'après quelques découvertes majeures ces dernières années.

Selon un communiqué de presse de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence, la découverte qui a fait sensation dans les cercles scientifiques est la détection directe de l'isomère thorium-229. Un isomère est un atome dont le noyau est dans un état d'énergie supérieur. Ceci peut être réalisé en utilisant une lumière d'une fréquence spécifique.

Pour les horloges atomiques, les chercheurs utilisent la fréquence de la lumière utilisée pour invoquer les transitions dans l'atome comme mesure du temps. Pour les horloges nucléaires, cependant, seule la fréquence de la lumière utilisée pour exciter le noyau atomique est utilisée. Étant donné que le noyau atomique est une structure plus compacte et a de petits moments électromagnétiques, il est moins sensible aux interférences externes.

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Lorsque l'isomère revient à son état fondamental, il émet un photon, un processus que les scientifiques ont appelé la désintégration radiative, qui est crucial pour la mesure. Cependant, les chercheurs n'avaient pas réussi à mesurer la désintégration avec précision. Cet obstacle a été récemment surmonté grâce à un effort de collaboration entre des chercheurs de divers organismes de recherche allemands.

Les expériences ont été menées à l'installation ISOLDE du CERN où des atomes d'actinium-229 ont été implantés dans des cristaux de fluorure de calcium ou de fluorure de magnésium et laissés se désintégrer en thorium-229. L'équipe de recherche a mesuré des photons avec une longueur d'onde ultraviolette de 148 nm et une énergie de transition de 8,338 électronvolts.

Il s'agit de la mesure la plus précise de l'énergie de l'isomère et la précision a été améliorée d'un facteur sept par rapport aux résultats précédents, affirment les chercheurs. Beaucoup plus de travail doit être fait avant qu'une horloge nucléaire puisse être construite, mais la recherche montre que le Thorium-229 est notre meilleur pari pour en construire une.

Les résultats de la recherche ont été publiés dans la revue Nature.

Résumé de l'étude :

​​Le radionucléide thorium-229 présente un isomère avec une énergie d'excitation exceptionnellement faible qui permet une manipulation laser directe des états nucléaires. Il constitue l'un des principaux candidats pour une utilisation dans les horloges optiques de nouvelle génération. Cette horloge nucléaire sera un outil unique pour des tests précis de physique fondamentale. Alors que les preuves expérimentales indirectes de l'existence d'un état nucléaire aussi extraordinaire sont beaucoup plus anciennes, la preuve de l'existence n'a été apportée que récemment en observant la désintégration de la conversion électronique de l'isomère. L'énergie d'excitation de l'isomère, le spin nucléaire et les moments électromagnétiques, la durée de vie de conversion d'électrons et une énergie raffinée de l'isomère ont été mesurés. Malgré les progrès récents, la désintégration radiative de l'isomère, ingrédient clé pour le développement d'une horloge nucléaire, est restée inobservée. Nous rapportons ici la détection de la décroissance radiative de cet isomère de basse énergie dans le thorium-229 (229mTh). En effectuant une spectroscopie ultraviolette sous vide de 229mTh incorporé dans des cristaux de CaF2 et MgF2 à large bande interdite à l'installation ISOLDE du CERN, des photons de 8,338(24) eV sont mesurés, en accord avec des mesures récentes et l'incertitude est diminuée d'un facteur sept. La demi-vie du 229mTh incorporé dans MgF2 est déterminée à 670(102) s. L'observation de la décroissance radiative dans un cristal à large bande interdite a des conséquences importantes pour la conception d'une future horloge nucléaire et l'amélioration de l'incertitude de l'énergie facilite la recherche d'une excitation laser directe du noyau atomique.