Comment les noyaux atomiques vibrent-ils ?

Le monde de la physique est sur le point de connaître une évolution majeure. Un groupe de physiciens a utilisé la spectroscopie laser ultra-haute précision pour mesurer la vibration ondulatoire des noyaux atomiques avec une précision inédite. Ce travail pourrait éclairer d’une lumière nouvelle notre compréhension de la nature fondamentale de la matière.

Les atomes simples ont été l’objet d’enquêtes expérimentales et théoriques de précision pendant près de 100 ans. L’atome d’hydrogène, l’atome le plus simple avec un seul électron, a été au cœur de ces travaux de recherche. Les énergies des atomes d’hydrogène, et donc leur spectre électromagnétique, sont les énergies les plus précisément calculées d’un système quantique lié.

Les scientifiques à travers le monde sont constamment à la recherche de nouvelles preuves d’effets physiques résultant de l’existence de la matière noire. Ces effets pourraient entraîner une divergence entre les mesures et les prédictions.

Le rôle de la molécule la plus simple

Par rapport à l’atome d’hydrogène, la molécule la plus simple n’a pas fait l’objet de mesures de précision pendant longtemps. C’est là que le groupe de recherche dirigé par le Professeur Stephan Schiller, Ph.D., de la chaire de physique expérimentale de HHU, a pris les devants. Ils ont développé des techniques expérimentales parmi les plus précises au monde.

La molécule la plus simple est l’ion moléculaire d’hydrogène (MHI) : une molécule d’hydrogène qui manque un électron et comprend trois particules. Ses composants peuvent se comporter de diverses manières. Les électrons se déplacent autour des noyaux atomiques, tandis que les noyaux atomiques vibrent ou tournent l’un par rapport à l’autre, les particules agissant comme des ondes.

Une précision sans précédent

Au fil des années, l’équipe de physiciens de HHU a affiné la spectroscopie laser du MHI, développant des techniques qui ont amélioré la résolution expérimentale des spectres de plusieurs ordres de grandeur. Leur objectif est clair : plus les spectres peuvent être mesurés avec précision, mieux les prédictions théoriques peuvent être testées. Cela permet d’identifier d’éventuels écarts par rapport à la théorie et donc aussi des points de départ pour la manière dont la théorie pourrait devoir être modifiée.

Le groupe du professeur Schiller a atteint un niveau de précision expérimentale meilleur que celui de la théorie. Pour ce faire, ils confinent environ 100 MHI dans un piège à ions sous un ultra-haut vide, utilisant des techniques de refroidissement par laser pour refroidir les ions à une température de 1 milli kelvin.

« La fréquence de transition déterminée expérimentalement et la prédiction théorique concordent. En combinaison avec les résultats précédents, nous avons établi le test le plus précis du mouvement quantique des baryons chargés : tout écart par rapport aux lois quantiques établies doit être inférieur à 1 partie sur 100 milliards, si tant est qu’il existe » a commenté le professeur Schiller.

Le résultat peut également être interprété d’une autre manière : Hypothétiquement, une autre force fondamentale pourrait exister entre le proton et le deuton, en plus de la force de Coulomb bien connue (la force entre les particules chargées électriquement). Soroosh Alighanbari, auteur de l’étude, explique : « Une telle force hypothétique pourrait exister en relation avec le phénomène de la matière noire. Nous n’avons trouvé aucune preuve de l’existence d’une telle force au cours de nos mesures, mais nous poursuivrons nos recherches.« 

En synthèse

Les recherches du groupe du professeur Schiller constituent un jalon significatif dans notre quête de compréhension du comportement des particules atomiques. Leur étude, publiée dans Nature Physics, a permis de confirmer le mouvement ondulatoire des matériaux nucléaires avec une précision sans précédent. Cependant, leur recherche se poursuit, avec l’espoir de découvrir de nouvelles forces fondamentales associées à la matière noire.

Publication originale : Alighanbari, S., Kortunov, I.V., Giri, G.S., Schiller, S. ; Test of charged baryon interaction with high-resolution vibrational spectroscopy of molecular hydrogen ions. Nat. Phys. (2023). DOI : 10.1038/s41567-023-02088-2

Légende illustration principale : Schéma de l’expérience : dans un piège à ions (gris), une onde laser (rouge) est envoyée sur des ions moléculaires HD+ (paires de points jaunes/rouges), provoquant des sauts quantiques. Ceux-ci entraînent à leur tour un changement de l’état vibratoire des ions moléculaires. Ce processus correspond à l’apparition d’une raie spectrale. La longueur d’onde du laser est mesurée avec précision. (Fig. : HHU/Soroosh Alighanbari)