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May 30, 2023

Les photons de la transition de l'horloge nucléaire sont enfin visibles

La première mesure directe a été faite d'une transition nucléaire de thorium-229

La première mesure directe a été faite d'une transition nucléaire au thorium-229 qui pourrait potentiellement former la base d'une "horloge nucléaire". Effectuée au CERN, la recherche fait suite à une expérience de 2016 qui a confirmé l'existence de la transition mais n'a pas détecté le photon émis résultant. Beaucoup de travail reste à faire avant qu'une horloge fonctionnelle puisse être produite, mais si un tel dispositif s'avérait possible, il pourrait s'avérer un outil important pour la recherche en physique fondamentale.

Les horloges les plus précises aujourd'hui sont basées sur des ensembles d'atomes optiquement piégés tels que le strontium ou l'ytterbium. Des lasers très stables sont verrouillés en résonance avec les fréquences de transitions atomiques spécifiques, et les oscillations laser se comportent effectivement comme des oscillations de pendule - bien qu'avec des fréquences beaucoup plus élevées et donc une plus grande précision. Ces horloges peuvent être stables à 1 partie près de 1020, ce qui signifie qu'elles ne seront dépassées que de 10 ms après 13,7 milliards d'années de fonctionnement - l'âge de l'univers.

Les horloges atomiques ne sont pas seulement de grands chronométreurs, les physiciens les ont utilisées pour étudier une gamme de phénomènes fondamentaux tels que la façon dont la théorie de la relativité générale d'Einstein s'applique aux atomes confinés dans des pièges optiques. À la recherche d'une précision toujours plus grande et de connaissances plus approfondies, en 2003, Ekkehard Peik et Christian Tamm de Physikalisch-technische Bundesanstalt à Braunschweig, en Allemagne, ont proposé qu'une horloge puisse être produite en interrogeant non pas les niveaux d'énergie électronique des atomes mais les niveaux d'énergie nucléaire.

Une telle horloge nucléaire serait extrêmement bien isolée des bruits extérieurs. "Un atome mesure quelque chose comme 10-10 m [de diamètre]; un noyau fait quelque chose comme 10-14 ou 10-15 m", explique Sandro Kraemer de la KU Leuven en Belgique, qui a participé à cette dernière recherche. "Le noyau est une antenne beaucoup plus petite pour l'environnement et est donc beaucoup moins sujet aux changements."

Une horloge nucléaire pourrait donc être une excellente sonde d'hypothétiques variations temporelles infimes des valeurs de constantes fondamentales telles que la constante de structure fine, qui quantifie la force de l'interaction électromagnétique. De tels changements indiqueraient une physique au-delà du modèle standard. De plus, la liaison nucléaire est plus forte que son homologue atomique, de sorte que les changements entre les niveaux d'énergie sont plus élevés en énergie et résonneraient avec des lasers à plus haute fréquence, rendant un changement plus petit détectable.

Il s'agit cependant d'une épée à double tranchant, car la plupart des transitions nucléaires se produisent à des fréquences beaucoup plus élevées que celles qui peuvent être produites par les lasers actuels. Le thorium-229, cependant, a un état excité métastable à environ 8 eV au-dessus de l'état fondamental - une transition qui se situe dans l'ultraviolet du vide.

Kraemer explique que la construction d'un laser pour exciter cet état devrait à peu près être possible, "Sur environ 3000 radionucléi que nous connaissons aujourd'hui, le thorium est le seul que nous connaissons qui a un état adapté à l'excitation laser".

Cependant, les chercheurs doivent d'abord connaître la fréquence exacte de la transition. En effet, la désintégration était depuis longtemps prédite par la théorie, mais les tentatives de détection du photon émis s'étaient avérées infructueuses. En 2016, cependant, des chercheurs de l'Université Ludwig Maximilian de Munich ont indirectement confirmé son existence en mesurant l'émission d'électrons dans un processus appelé conversion interne, dans lequel l'énergie de la désintégration nucléaire ionise l'atome.

Les physiciens mesurent l'énergie de l'état excité nucléaire le plus bas

Maintenant, Kraemer et ses collègues ont fait la première détection directe des photons ultraviolets émis dans le vide en étudiant les ions thorium-229 excités. L'idée sous-jacente n'est pas nouvelle, dit Kraemer, mais les chercheurs ont déjà essayé de le faire en implantant de l'uranium-233 dans des cristaux, qui peuvent se désintégrer en thorium-229 excité. Le problème, dit Kraemer, est que cela libère plus de 4 MeV d'énergie dans le cristal, ce qui "est bon pour tuer le cancer, mais vraiment mauvais pour nous" car cela endommage le cristal, interférant avec ses propriétés optiques.

Dans ce nouveau travail, les chercheurs ont donc utilisé l'installation ISOLDE du CERN pour implanter des ions actinium-229 dans des cristaux de fluorure de magnésium et de fluorure de calcium. Ceux-ci peuvent se désintégrer en noyau thorium-229 excité métastable par désintégration β, qui libère quatre ordres de grandeur moins d'énergie dans le cristal. Les chercheurs ont ainsi pu détecter les photons et mesurer l'énergie de transition. La précision finale est encore bien en deçà de l'incertitude nécessaire pour construire une horloge, et les chercheurs travaillent maintenant avec des physiciens laser pour affiner cela.

Kyle Beloy du National Institute for Standards and Technology des États-Unis est impressionné par la mesure. "Il y a un potentiel très important pour ce système au thorium-229 en tant qu'horloge nucléaire et encore plus pour faire éventuellement des tests de physique fondamentale", dit-il. "Dans ce [travail], ils observent un photon tel qu'il est émis de l'état excité jusqu'à l'état fondamental, et finalement le but de la communauté ici est de faire l'inverse. La bande étroite de fréquences que le noyau absorbera est de l'ordre du millihertz, alors que nous savons que c'est de l'ordre de 1012 Hz, donc c'est comme une aiguille dans une botte de foin, et essentiellement ce qu'ils ont fait est de réduire la taille de la botte de foin d'un facteur sept. C'est un grand pas en avant pour quiconque cherche à exciter la transition."

La recherche est décrite dans Nature.