La recherche d’une horloge nucléaire donne naissance à une nouvelle méthode de détection de la matière noire

Depuis près d’un siècle, les scientifiques du monde entier recherchent la matière noire, une substance invisible qui constituerait environ 80 % de la masse de l’univers et qui serait nécessaire pour expliquer divers phénomènes physiques. De nombreuses méthodes ont été utilisées pour tenter de détecter la matière noire, depuis la production de celle-ci dans des accélérateurs de particules jusqu’à la recherche du rayonnement cosmique qu’elle pourrait émettre dans l’espace.

Pourtant, même aujourd’hui, on en sait très peu sur les propriétés fondamentales de cette matière. Bien qu’elle agisse en arrière-plan, la matière noire aurait une influence sur la matière visible, mais de manière si subtile qu’elle ne peut actuellement être mesurée directement.

Les scientifiques pensent que si une horloge nucléaire était mise au point, c’est-à-dire une horloge utilisant le noyau atomique pour mesurer le temps avec une extrême précision, même les plus infimes irrégularités dans son fonctionnement pourraient révéler l’influence de la matière noire. L’année dernière, des physiciens en Allemagne et au Colorado ont fait une percée dans la construction d’une telle horloge, en utilisant l’élément radioactif thorium 229. Lorsque les chercheurs du groupe de physique théorique du professeur Gilad Perez à l’Institut Weizmann des sciences ont pris connaissance de cette avancée, ils y ont vu une nouvelle opportunité de faire progresser la recherche sur la matière noire, avant même qu’une horloge nucléaire pleinement fonctionnelle ne devienne réalité.

En collaboration avec l’équipe allemande, ils ont récemment publié une étude dans Physical Review X proposant une nouvelle méthode pour détecter l’influence de la matière noire sur les propriétés du noyau du thorium 229.

Tout comme il faut choisir le bon moment pour pousser un enfant sur une balançoire afin de maintenir un mouvement fluide et régulier, un noyau atomique possède également une fréquence d’oscillation optimale, appelée fréquence de résonance en physique. Un rayonnement à cette fréquence précise peut faire « osciller » le noyau comme un pendule entre deux états quantiques : un état fondamental et un état à haute énergie.

Dans la plupart des matériaux, cette fréquence de résonance est élevée, ce qui nécessite un rayonnement puissant pour exciter le noyau. Mais en 1976, les scientifiques ont découvert que le thorium 229, un sous-produit du programme nucléaire américain, constituait une rare exception. Sa fréquence de résonance naturelle est suffisamment basse pour être manipulée par une technologie laser standard utilisant un rayonnement ultraviolet relativement faible. Cela a fait du thorium 229 un candidat prometteur pour le développement d’une horloge nucléaire, dans laquelle le temps est mesuré par le « balancement » du noyau entre des états quantiques, comme le pendule d’une horloge traditionnelle.

Cependant, les progrès sur l’horloge nucléaire ont stagné dès la première étape, lorsque les scientifiques ont essayé de mesurer la fréquence de résonance du thorium 229 avec la plus grande précision. Pour déterminer la fréquence de résonance d’un noyau, les physiciens le soumettent à un rayon laser à différentes fréquences et observent la quantité d’énergie qu’il absorbe ou émet lors de la transition entre les états quantiques. À partir de ces résultats, ils construisent un spectre d’absorption, et la fréquence qui provoque le pic d’absorption est considérée comme la fréquence de résonance du noyau.

Pendant près de cinq décennies, les scientifiques n’ont pas été en mesure de mesurer la fréquence de résonance du thorium 229 avec suffisamment de précision pour construire une horloge nucléaire, mais l’année dernière a apporté deux avancées majeures. Tout d’abord, un groupe de l’Institut national de métrologie allemand (PTB) a publié des mesures relativement précises. Quelques mois plus tard, une équipe de l’université du Colorado a publié des résultats plusieurs millions de fois plus précis.

« Nous avons encore besoin d’une précision encore plus grande pour développer une horloge nucléaire », explique M. Perez, « mais nous avons déjà identifié une opportunité d’étudier la matière noire ». Il explique : « Dans un univers composé uniquement de matière visible, les conditions physiques et le spectre d’absorption de tout matériau resteraient constants. Mais comme la matière noire nous entoure, sa nature ondulatoire peut modifier subtilement la masse des noyaux atomiques et provoquer des changements temporaires dans leur spectre d’absorption. Nous avons émis l’hypothèse que la capacité à détecter avec une grande précision les écarts infimes dans le spectre d’absorption du thorium 229 pourrait révéler l’influence de la matière noire et nous aider à étudier ses propriétés. »

Les calculs théoriques effectués par l’équipe, dirigée par le Dr Wolfram Ratzinger du groupe de Perez et d’autres post-doctorants, ont montré que les nouvelles mesures pouvaient détecter l’influence de la matière noire même si celle-ci était 100 millions de fois plus faible que la gravité, une force qui est elle-même faible et qui nous vient rarement à l’esprit dans la vie quotidienne. « C’est une région où personne n’a encore cherché de matière noire », ajoute le Dr Ratzinger. « Nos calculs montrent qu’il ne suffit pas de rechercher uniquement les variations de la fréquence de résonance. Nous devons identifier les changements sur l’ensemble du spectre d’absorption pour détecter l’effet de la matière noire. Bien que nous n’ayons pas encore trouvé ces changements, nous avons jeté les bases pour les comprendre lorsqu’ils apparaîtront. Une fois que nous aurons détecté un écart, nous pourrons utiliser son intensité et la fréquence à laquelle il apparaît pour calculer la masse de la particule de matière noire responsable. Plus loin dans l’étude, nous avons également calculé comment différents modèles de matière noire affecteraient le spectre d’absorption du thorium 229. Nous espérons que cela aidera finalement à déterminer quels modèles sont exacts et de quoi est réellement composée la matière noire. »

Pendant ce temps, les laboratoires du monde entier continuent d’affiner la mesure de la fréquence de résonance du thorium 229, un processus qui devrait prendre des années. Si une horloge nucléaire venait à être mise au point, elle pourrait révolutionner de nombreux domaines, notamment la navigation terrestre et spatiale, les communications, la gestion des réseaux électriques et la recherche scientifique. Les dispositifs de mesure du temps les plus précis à l’heure actuelle sont les horloges atomiques, qui reposent sur l’oscillation des électrons entre deux états quantiques. Elles sont très précises, mais présentent un inconvénient majeur : elles sont sensibles aux interférences électriques de l’environnement, qui peuvent affecter leur cohérence. Les noyaux atomiques, en revanche, sont beaucoup moins sensibles à ces perturbations.

« En ce qui concerne la matière noire, conclut M. Perez, une horloge nucléaire à base de thorium 229 serait le détecteur ultime. À l’heure actuelle, les interférences électriques limitent notre capacité à utiliser des horloges atomiques dans nos recherches. Mais une horloge nucléaire nous permettrait de détecter des écarts incroyablement faibles dans son tic-tac, c’est-à-dire de minuscules variations de fréquence de résonance, qui pourraient révéler l’influence de la matière noire. Nous estimons qu’elle nous permettra de détecter des forces 10 000 milliards de fois plus faibles que la gravité, offrant une résolution 100 000 fois supérieure à celle dont nous disposons actuellement dans notre recherche de la matière noire. »

E. Fuchs et al., “Searching for dark matter with the ²²⁹Th nuclear lineshape from laser spectroscopy,” Phys. Rev. X 15, 021055 (2025).

Source : Weizmann Institut