En 2024, la TU Wien a présenté la première horloge nucléaire au monde. Il a désormais été démontré que cette technologie pouvait également être utilisée pour étudier des questions non résolues en physique fondamentale.
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 de noyau atomique appropriés se poursuit dans le monde entier. En 2024, une équipe de la TU Wien, avec le soutien de partenaires internationaux, a réalisé une avancée décisive : la transition nucléaire au thorium, longuement discutée, a été trouvée. Peu de temps 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 de la recherche de haute précision sur les noyaux de thorium a été obtenu : lorsque le noyau de thorium change d’état, il modifie légèrement sa forme elliptique.
Cela modifie également la répartition des protons dans le noyau, ce qui modifie à son tour son champ électrique. Ceci peut être mesuré avec une telle précision qu’il permet une meilleure étude que jamais de la constante de structure fine, l’une des constantes naturelles les plus importantes de la physique. Cela permet désormais d'étudier la question de savoir dans quelle mesure les constantes fondamentales de la nature sont réellement constantes.
L'étude est publiée dans la revue Communications naturelles.
La force de la force 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 fortes et faibles », explique le professeur Thorsten Schumm de l'Institut de physique atomique et subatomique de la TU Wien. « Chaque force fondamentale se voit attribuer une constante fondamentale qui décrit sa force par rapport aux autres. »
La constante de structure fine, d'une valeur d'environ 1/137, détermine la force de l'interaction électromagnétique. Si c’était différent, les particules chargées se comporteraient différemment, les liaisons chimiques fonctionneraient différemment et la lumière et la matière interagiraient différemment.
« Normalement, nous supposons que ces constantes sont universelles, qu'elles ont la même valeur à tout moment et partout dans l'univers », explique Schumm.
« Cependant, il existe également des théories qui prédisent que la constante de structure fine change lentement, légèrement ou même oscille périodiquement. Cela révolutionnerait complètement notre compréhension de la physique, mais pour le savoir, nous devons être capables de mesurer les changements dans la constante de structure fine avec une extrême précision. Notre horloge atomique au thorium rend cela possible pour la première fois. »
Différents états du noyau atomique – différents champs électriques
Les noyaux atomiques du thorium peuvent prendre deux états différents : un état fondamental avec peu d’énergie et un état excité avec une énergie légèrement plus élevée. La différence entre ces deux valeurs d’énergie peut être mesurée avec une précision extrêmement élevée, ce qui constitue 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 Schumm. « En particulier, la composante quadripolaire du champ change : il s'agit d'un nombre qui décrit si la forme du champ électrique est plus allongée, comme un cigare, ou plus écrasée, comme une lentille. »
L'ampleur de la modification de cette valeur 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 destinés à l'expérience ont été produits à la TU Wien (Vienne), et les mesures de spectroscopie laser ont ensuite été effectuées à Boulder, Colorado. « Nous avons pu montrer que notre méthode peut détecter des variations de la constante de structure fine de trois ordres de grandeur plus précisément que les méthodes précédentes, c'est-à-dire d'un facteur six mille », explique 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 de rechercher une nouvelle physique qui était auparavant inaccessible expérimentalement. »
