Les photons de la transition de l'horloge nucléaire sont enfin visibles – Physics World

La première mesure directe a été réalisée d’une transition nucléaire au thorium-229 qui pourrait potentiellement constituer la base d’une « horloge nucléaire ». Réalisée au CERN, la recherche fait suite à une expérience de 2016 qui a confirmé l’existence de la transition mais n’a pas détecté le photon émis qui en résulte. Il reste beaucoup à faire avant de pouvoir produire une horloge fonctionnelle, mais si un tel dispositif s'avère possible, il pourrait s'avérer un outil important pour la recherche en physique fondamentale.

Les horloges les plus précises aujourd’hui sont basées sur des ensembles d’atomes piégés optiquement tels que le strontium ou l’ytterbium. Les lasers hautement stables sont verrouillés en résonance avec les fréquences de transitions atomiques spécifiques, et les oscillations du laser se comportent effectivement comme des oscillations de pendule, mais avec des fréquences beaucoup plus élevées et donc une plus grande précision. Ces horloges peuvent être stables à 1 partie sur 10 près.²⁰, ce qui signifie qu’ils disparaîtront au bout de 10 ms seulement après 13.7 milliards d’années de fonctionnement – ​​l’âge de l’univers.

Les horloges atomiques ne sont pas seulement d’excellents chronomètres : les physiciens les ont utilisées pour étudier toute une série de phénomènes fondamentaux, tels que la façon dont la théorie de la relativité générale d’Einstein s’applique aux atomes confinés dans des pièges optiques. À la recherche de toujours plus de précision et d’approfondissement, en 2003 Ekkehard Peik et Christian Tamm du Physikalisch-technische Bundesanstalt à Braunschweig, en Allemagne, ont proposé qu'une horloge puisse être produite en interrogeant non pas les niveaux d'énergie électronique des atomes mais les niveaux d'énergie nucléaire.

Antenne beaucoup plus petite

Une telle horloge nucléaire serait extrêmement bien isolée des bruits extérieurs. « Un atome équivaut à quelque chose comme 10^{- 10} m [à travers] ; un noyau vaut quelque chose comme 10^{- 14} ou 10^{- 15} m", explique Sandro Kramer de la KU Leuven en Belgique, qui a participé à cette dernière recherche. "Le noyau est une antenne beaucoup plus petite pour l'environnement et est donc beaucoup moins sujet aux déplacements."

Une horloge nucléaire pourrait donc être une excellente sonde de variations temporelles hypothétiques, très infimes, des valeurs de constantes fondamentales telles que la constante de structure fine, qui quantifie la force de l’interaction électromagnétique. De tels changements indiqueraient une physique au-delà du modèle standard. De plus, la liaison nucléaire est plus forte que son homologue atomique, de sorte que les changements entre les niveaux d'énergie sont plus élevés en énergie et résonneraient avec des lasers à plus haute fréquence, ce qui rendrait un changement plus faible détectable.

Il s’agit cependant d’une arme à double tranchant, car la plupart des transitions nucléaires se produisent à des fréquences beaucoup plus élevées que celles que peuvent produire les lasers actuels. Le thorium-229, cependant, présente un état excité métastable à environ 8 eV au-dessus de l'état fondamental, une transition qui se situe dans l'ultraviolet sous vide.

Convient pour l'excitation

Kraemer explique que la construction d'un laser pour exciter cet état devrait être à peu près possible : « Sur les quelque 3000 XNUMX radionoyaux que nous connaissons aujourd'hui, le thorium est le seul que nous connaissons qui possède un état adapté à l'excitation laser ».

Toutefois, les chercheurs doivent d’abord connaître la fréquence exacte de la transition. En effet, la désintégration était prévue depuis longtemps par la théorie, mais les tentatives visant à détecter le photon émis s’étaient révélées infructueuses. En 2016, cependant, des chercheurs de l'Université Ludwig Maximilian de Munich ont indirectement a confirmé son existence en mesurant l'émission d'électrons dans un processus appelé conversion interne, dans lequel l'énergie de la désintégration nucléaire ionise l'atome.

Les physiciens mesurent l’énergie de l’état excité nucléaire le plus bas

Kraemer et ses collègues ont désormais réalisé la première détection directe des photons ultraviolets sous vide émis en étudiant les ions thorium-229 excités. L'idée sous-jacente n'est pas nouvelle, dit Kraemer, mais des chercheurs ont déjà tenté d'y parvenir en implantant de l'uranium 233 dans des cristaux, qui peuvent se désintégrer en thorium 229 excité. Le problème, explique Kraemer, est que cela libère plus de 4 MeV d’énergie dans le cristal, ce qui « est bon pour tuer le cancer, mais vraiment mauvais pour nous » car cela endommage le cristal, interférant avec ses propriétés optiques.

Dans ce nouveau travail, les chercheurs ont donc utilisé l’installation ISOLDE du CERN pour implanter des ions actinium-229 dans des cristaux de fluorure de magnésium et de fluorure de calcium. Ceux-ci peuvent se désintégrer en noyau de thorium-229 excité métastable par désintégration β, qui libère quatre ordres de grandeur d'énergie en moins dans le cristal. Les chercheurs ont ainsi pu détecter les photons et mesurer l'énergie de transition. La précision finale est encore bien inférieure à l’incertitude nécessaire à la construction d’une horloge, et les chercheurs travaillent actuellement avec des physiciens du laser pour l’affiner.

Kyle Beloy de l'Institut national américain des normes et de la technologie est impressionné par la mesure. "Il y a un potentiel très important pour ce système au thorium-229 en tant qu'horloge nucléaire et encore plus pour réaliser à terme des tests de physique fondamentale", dit-il. « Dans ce [travail], ils observent un photon émis depuis l’état excité jusqu’à l’état fondamental, et en fin de compte, le but de la communauté ici est de faire l’inverse. La bande étroite de fréquences que le noyau va absorber est de l'ordre du millihertz, alors que nous savons bien qu'elle est de l'ordre de 10.¹² Hz, c’est donc comme une aiguille dans une botte de foin, et essentiellement ce qu’ils ont fait, c’est réduire la taille de la botte de foin d’un facteur sept. C’est un grand pas en avant pour tous ceux qui cherchent à accélérer la transition.

La recherche est décrite dans Nature.

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• La source: https://physicsworld.com/a/photons-from-nuclear-clock-transition-are-seen-at-long-last/