Depuis près d'un siècle, les scientifiques du monde entier recherchent la matière noire – une substance invisible qui représente environ 80% de la masse de l'univers et devait expliquer une variété de phénomènes physiques. De nombreuses méthodes ont été utilisées dans les tentatives de détection de la matière noire, en essayant de la produire dans des accélérateurs de particules pour rechercher un rayonnement cosmique qu'il pourrait émettre dans l'espace.
Pourtant, même aujourd'hui, on sait très peu de choses sur les propriétés fondamentales de cette question. Bien qu'il fonctionne en arrière-plan, on pense que la matière noire influence la matière visible, mais d'une manière si subtile qu'elles ne peuvent actuellement pas être mesurées directement.
Les scientifiques croient que si une horloge nucléaire est développée – celle qui utilise le noyau atomique pour mesurer le temps avec une extrême précision – même les plus petites irrégularités de ses ticles pourraient révéler l'influence de la matière noire. L'année dernière, les physiciens en Allemagne et au Colorado ont fait une percée vers la construction d'une telle horloge, en utilisant l'élément radioactif Thorium-229.
Lorsque des chercheurs du groupe de physique théorique du professeur Gilad Perez au Weizmann Institute of Science ont appris cette réalisation, ils ont reconnu une nouvelle occasion de faire avancer la recherche de matière noire, avant même qu'une horloge nucléaire pleinement fonctionnelle ne devienne une réalité. En collaboration avec l'équipe allemande, ils ont récemment publié une étude dans Revue physique x Proposer une nouvelle méthode pour détecter l'influence de la matière noire sur les propriétés du noyau thorium-229.
Tout comme la poussée d'un enfant sur une balançoire nécessite le bon moment pour maintenir un mouvement lisse et cohérent, un noyau atomique a également une fréquence d'oscillation optimale, connue en physique comme sa fréquence de résonance. Radiation à précisément cette fréquence peut faire en sorte que le noyau « swing » comme un pendule entre deux états quantiques: un état fondamental et un état de haute énergie. Dans la plupart des matériaux, cette fréquence de résonance est élevée, nécessitant un rayonnement fort pour exciter le noyau.
Mais en 1976, les scientifiques ont découvert que le thorium-229, un sous-produit du programme nucléaire américain, était une rare exception. Sa fréquence de résonance naturelle est suffisamment faible pour être manipulée par la technologie laser standard en utilisant le rayonnement ultraviolet relativement faible. Cela a fait du thorium-229 un candidat prometteur pour le développement d'une horloge nucléaire, au cours de laquelle le temps est mesuré par le noyau « se balançant » entre les états quantiques comme un pendule dans une horloge traditionnelle.
Cependant, les progrès sur l'horloge nucléaire ont calé au tout premier stade, lorsque les scientifiques ont tenté 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 brillent un laser dessus à différentes fréquences et observent la quantité d'énergie qu'il absorbe ou émet tout en transition entre les états quantiques. À partir de ces résultats, ils construisent un spectre d'absorption et la fréquence qui provoque une absorption maximale est prise comme la fréquence de résonance du noyau.
Pendant près de cinq décennies, les scientifiques n'ont pas pu mesurer la fréquence de résonance du thorium-229 avec suffisamment de précision pour construire une horloge nucléaire, mais l'année dernière a apporté deux progrès majeurs. Premièrement, un groupe de l'Institut national de métrologie d'Allemagne (PTB) a publié des mesures relativement précises. Quelques mois plus tard, une équipe de l'Université du Colorado a publié des résultats qui étaient plusieurs millions de fois plus précis.
« Nous avons encore besoin d'une précision encore plus grande pour développer une horloge nucléaire », explique Perez, « mais nous avons déjà identifié une opportunité d'étudier la matière noire.
« Dans un univers constitué uniquement de matières visibles, les conditions physiques et le spectre d'absorption de tout matériau resteraient constants. Mais parce que la matière noire nous entoure, sa nature en forme d'onde peut changer subtilement la masse des noyaux atomiques et provoquer des changements temporaires dans leur spectre d'absorption. propriétés. »
Les calculs théoriques effectués par l'équipe – dirigés par le Dr Wolfram Ratzinger du groupe de Perez et d'autres camarades postdoctoraux – ont affiché que les nouvelles mesures pourraient détecter l'influence de la matière noire même si elle était 100 millions de fois plus faible que la gravité, une force elle-même faible et qui nous traverse rarement l'esprit dans la vie quotidienne.
« C'est une région où personne n'a encore cherché la matière noire », explique Ratzinger. « Nos calculs montrent qu'il ne suffit pas de rechercher des changements dans la seule fréquence de résonance. Nous devons identifier les changements à travers 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 quand ils apparaissent. Une fois que nous avons détecté une déviation, nous pourrons utiliser son intensité et la fréquence à laquelle il semble calculer la masse de la particule de matière noire responsable.
« Plus tard 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 précis et de quelle matière noire est réellement faite. »
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 est finalement développée, elle pourrait révolutionner de nombreux domaines, notamment la navigation sur la Terre et l'espace, les communications, la gestion du réseau électrique et la recherche scientifique.
Les dispositifs de chronométrage les plus précis d'aujourd'hui sont les horloges atomiques, qui reposent sur l'oscillation d'électrons entre deux états quantiques. Ceux-ci sont très précis, mais ils ont un inconvénient significatif: ils sont vulnérables à l'interférence électrique de l'environnement, ce qui peut affecter leur cohérence. Les noyaux des atomes, en revanche, sont beaucoup moins sensibles à de telles perturbations.
« En ce qui concerne la matière noire », explique Perez, « une horloge nucléaire basée sur le thorium-229 serait le détecteur ultime. À l'heure actuelle, l'interférence électrique limite notre capacité à utiliser les horloges atomiques dans la recherche.
« Mais une horloge nucléaire nous permettrait de détecter des écarts incroyablement légers dans ses ticles – c'est-à-dire de minuscules changements de fréquence de résonance – qui pourraient révéler l'influence de Dark Matter. Nous estimons qu'il nous permettra de détecter les forces 10 billions de fois plus faibles que la gravité, en fournissant une résolution 100 000 fois mieux que ce que nous avons actuellement dans notre recherche pour la matière noire. »
