Les horloges atomiques sont très précises, mais les horloges nucléaires le sont encore plus. La technologie entièrement nouvelle a été rendue possible par une avancées majeure en 2024. Désormais, cette technologie pourrait être utilisée pour répondre à certaines des questions les plus fondamentales de la physique : les constantes naturelles sont-elles réellement constantes ?
Les noyaux atomiques de thorium peuvent être utilisés pour des mesures de précision très spécifiques. Cela était soupçonné depuis des décennies, et la recherche d’états nucléaires appropriés se poursuivait dans le monde entier. En 2024, une équipe de la TU Wien, avec le soutien de partenaires internationaux, a réalisé la percée décisive : la transition nucléaire du thorium longuement discutée a été trouvée. Peu après, il a été démontré que le thorium pouvait effectivement être utilisé pour construire des horloges nucléaires de haute précision.
Aujourd’hui, le prochain grand succès dans la recherche de haute précision sur les noyaux de thorium a été atteint : lorsque le noyau de thorium change entre différents états, il modifie légèrement sa forme elliptique. Cela change également la distribution des protons dans le noyau, ce qui modifie à son tour son champ électrique. Cela peut être mesuré avec une telle précision qu’il permet d’étudier mieux que jamais la constante de structure fine, l’une des constantes naturelles les plus importantes en physique. Il est désormais possible d’examiner la question de savoir à quel point les constantes fondamentales de la nature sont réellement constantes.
La force de l’interaction électromagnétique
« Pour autant que nous le sachions, il n’existe que quatre forces fondamentales dans la nature : la gravité, l’électromagnétisme, et les forces nucléaires forte et faible », a indiqué le professeur Thorsten Schumm de l’Institut de physique atomique et subatomique de la TU Wien. « Chaque force fondamentale est associée à une constante fondamentale qui décrit sa force par rapport aux autres. »
La constante de structure fine, avec une valeur d’environ 1/137, détermine la force de l’interaction électromagnétique. Si elle était différente, les particules chargées se comporteraient différemment, les liaisons chimiques fonctionneraient autrement, et la lumière et la matière interagiraient d’une manière différente.
« Normalement, nous supposons que de telles constantes sont universelles – qu’elles ont la même valeur en tout temps et partout dans l’univers », a ajouté Thorsten Schumm. « Cependant, il existe aussi des théories qui prédisent que la constante de structure fine change lentement d’une petite quantité ou même oscille périodiquement. Cela révolutionnerait complètement notre compréhension de la physique – mais pour le découvrir, nous devons être capables de mesurer les changements de la constante de structure fine avec une extrême précision. Notre horloge atomique au thorium le permet pour la première fois. »
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Différents états du noyau atomique – différents champs électriques
Les noyaux atomiques de thorium peuvent assumer deux états différents – un état fondamental avec peu d’énergie et un état excité avec une énergie légèrement supérieure. La différence entre ces deux valeurs d’énergie peut être mesurée avec une extrême précision, ce qui est également la base de l’horloge nucléaire.
« Lorsque le noyau atomique change d’état, sa forme change également, et avec elle son champ électrique », explique Thorsten Schumm. « En particulier, la composante quadripolaire du champ change – c’est un nombre qui décrit si la forme du champ électrique est plus allongée, comme un cigare, ou plus écrasée, comme une lentille. » La mesure dans laquelle cette valeur change dépend de la constante de structure fine. En observant précisément cette transition du thorium, il est donc possible de mesurer si la constante de structure fine est réellement une constante ou si elle varie légèrement.
Les cristaux contenant du thorium pour l’expérience ont été produits à la TU Wien (Vienne), et les mesures de spectroscopie laser ont ensuite été réalisées à Boulder, Colorado. « Nous avons pu montrer que notre méthode peut détecter les variations de la constante de structure fine trois ordres de grandeur plus précisément que les méthodes précédentes, c’est-à-dire par un facteur de six mille », déclare Thorsten Schumm. « Cela montre que la transition du thorium que nous avons découverte peut non seulement être utilisée pour construire une nouvelle génération d’horloges de haute précision, mais permet également la recherche de nouvelles physiques qui étaient auparavant inaccessibles expérimentalement. »
Article : « Fine-structure constant sensitivity of the Th-229 nuclear clock transition » (Sensibilité de la constante de structure fine à la transition d’horloge nucléaire du Th-229) – DOI : 10.1038/s41467-025-64191-7
Source : TU Wien
