La première horloge nucléaire part tester l’évolution des constantes fondamentales
(quantamagazine.org)- Des chercheurs de JILA ont mesuré la transition entre deux états du noyau de thorium-229 avec une précision de un billionième, mettant pratiquement fin à 50 ans de recherche de la fréquence laser de la transition d’horloge nucléaire
- Le thorium-229 est un cas particulier où les variations de la force électromagnétique et de la force nucléaire forte à l’intérieur du noyau se compensent presque, ce qui permet de provoquer une transition nucléaire avec une faible énergie
- Après les équipes européennes en avril 2024 et le groupe de l’UCLA en juillet, le résultat de JILA est arrivé à son tour, avec une mesure des millions de fois plus précise que les observations précédentes
- La transition de l’horloge nucléaire est bien plus sensible que les états atomiques aux variations des constantes fondamentales, mais les changements possibles pourraient être de l’ordre du dix-billionième, ce qui exige encore un gain de précision
- L’horloge nucléaire au thorium-229 pourrait devenir un nouvel outil expérimental pour tester les variations temporelles des lois de la physique prédites par des modèles comme l’axion de matière noire ou la théorie des cordes
Mesure de la transition d’horloge nucléaire du thorium-229 par JILA
- Dans la nuit de mai 2024, Chuankun Zhang, doctorant à JILA, a confirmé le signal d’une transition d’horloge nucléaire dans laquelle le noyau de thorium-229 passe d’un état à un autre
- Après plusieurs procédures de vérification, les chercheurs ont conclu que ce signal correspondait bien à une véritable transition nucléaire du thorium-229
- Le résultat de mesure du groupe de recherche de Jun Ye a été publié dans Nature le 4 septembre 2024
- Il s’agit du troisième résultat annoncé en quatre mois concernant l’observation de la transition du thorium-229, après ceux des chercheurs allemands et californiens
- Cette mesure est des millions de fois plus précise que les résultats précédents, et marque l’aboutissement d’un long processus de recherche de la fréquence laser exacte permettant de déclencher la transition d’horloge nucléaire
Pourquoi le thorium-229 est spécial
- Une horloge atomique classique exploite le processus par lequel un électron absorbe un photon, passe dans un état excité, puis retourne à l’état fondamental
- La longueur d’onde correspondant à la transition de l’atome de césium définit actuellement l’étalon international de la seconde
- Une seconde est définie comme la durée pendant laquelle 9 192 631 770 périodes de cette onde passent par un point de l’espace
- Les noyaux atomiques ont eux aussi un état fondamental et des états excités, mais comme les protons et les neutrons y sont liés bien plus fortement que les électrons, il faut généralement des photons d’énergie bien plus élevée, comme des rayons gamma
- Le noyau du thorium-229 est une exception remarquable, car l’énergie nécessaire à la transition nucléaire y est extrêmement faible
- À l’intérieur du noyau, la force électromagnétique entre les protons tend à disloquer le noyau, tandis que la force nucléaire forte le maintient lié
- Lors du changement de spin du neutron le plus externe du thorium-229, les variations de ces deux forces se compensent presque exactement, si bien que l’écart d’énergie entre l’état excité et l’état fondamental est extrêmement faible
- La transition est possible avec une énergie environ 10 000 fois plus faible qu’une excitation nucléaire classique
Un matériau expérimental issu d’un sous-produit de la guerre froide
- Le thorium-229 provient de la désintégration de l’uranium-233, un sous-produit des recherches sur les armes nucléaires pendant la guerre froide
- Les États-Unis ont produit environ 2 tonnes d’uranium-233 entre les années 1950 et 1970, ce matériau fissile de qualité militaire ayant été étudié comme alternative à l’uranium-235 et au plutonium-239
- En 1976, Larry Kroger et Charles Reich, de l’Idaho National Laboratory, ont étudié les rayonnements issus de déchets liquides d’uranium-233 et ont trouvé des indices indirects de l’existence, dans le thorium-229, d’un état excité nucléaire à une énergie bien plus basse que prévu
- En 1990, Reich et ses collègues ont confirmé par une nouvelle mesure plus précise que l’énergie de cet état excité était plus de dix fois plus faible qu’on ne le pensait initialement
- Alors qu’une transition nucléaire exige d’ordinaire plusieurs millions d’électronvolts, la transition du thorium-229 est inférieure à 10 électronvolts
- Cette plage d’énergie correspond à celle que les lasers existants peuvent fournir de manière stable et précise
- Eric Hudson affirme que, sur l’ensemble de la carte des noyaux atomiques, seul le thorium-229 présente un tel cas
L’idée de l’horloge nucléaire et la vérification des constantes fondamentales
- En 2003, Ekkehard Peik et Christian Tamm ont proposé une horloge nucléaire fondée sur le thorium-229
- Comme le noyau atomique est entouré du nuage électronique et donc protégé du monde extérieur, une horloge basée sur le thorium-229 pourrait être moins sensible aux interférences de fond qui perturbaient alors les meilleures horloges atomiques
- Victor Flambaum a montré qu’une horloge aussi sensible et isolée pourrait servir à tester la constance même de la nature
- Les équations de la physique contiennent environ 26 constantes fondamentales, comme la vitesse de la lumière ou la constante gravitationnelle
- Des théories comme la théorie des cordes prédisent que ces valeurs numériques pourraient varier très légèrement au cours du temps
- Un modèle populaire de matière noire suppose que, si la matière noire est composée de particules ondulatoires appelées axions, les variations locales de densité d’axions pourraient faire monter ou baisser l’intensité de certaines forces
- Une variation de l’intensité des forces pourrait modifier l’énergie des états nucléaires
- L’énergie des états nucléaires résulte de l’addition et de la soustraction des fortes contributions de la force électromagnétique et de la force nucléaire forte agissant sur les protons et les neutrons
- Comme la transition du thorium-229 présente un écart d’énergie extrêmement faible, de petites variations des forces pourraient s’y manifester de façon particulièrement marquée
La course à la recherche de la fréquence laser
- Au départ, l’estimation de l’énergie nécessaire à la transition d’horloge nucléaire était 1 000 fois moins précise que les longueurs d’onde laser explorées par les chercheurs
- Les chercheurs ont dû exclure des milliers de longueurs d’onde laser une par une, et la méthode consistant à piéger quelques atomes de thorium-229, à les éclairer avec un laser puis à attendre des photons ne pouvait qu’être extrêmement lente
- En suivant l’approche d’Eric Hudson, plusieurs groupes ont commencé à fabriquer des composés cristallins solides contenant du thorium à l’intérieur
- Un cristal peut contenir non pas quelques atomes, mais des quadrillions d’atomes
- Cela permet d’éliminer rapidement de nombreuses longueurs d’onde au laser
- L’équipe du CERN a réalisé une percée en 2023 en produisant du thorium-229 excité par désintégration radioactive et en mesurant directement la faible lumière ultraviolette de la transition d’horloge nucléaire dans un environnement plus silencieux
- Grâce au résultat du CERN, la plage de recherche a été fortement réduite, et une équipe européenne a rapporté pour la première fois en avril 2024 avoir sondé cet état avec un laser
- Le groupe de Hudson à l’UCLA a lui aussi publié sa découverte dans Physical Review Letters en juillet 2024
- Le groupe de Jun Ye à JILA a obtenu l’un des cristaux fabriqués par Thorsten Schumm et développait depuis quelque temps un laser ultraviolet spécial pour faire du thorium-229 une horloge nucléaire
- Ce laser sert à tester plusieurs longueurs d’onde à la fois afin de trouver la transition
- Le résultat de JILA vient clore ces trois découvertes parallèles avec la mesure d’énergie la plus précise
Pourquoi il faut encore plus de précision
- L’énergie des états nucléaires du thorium est bien plus sensible aux variations des constantes fondamentales que n’importe quel état atomique
- Actuellement, le groupe de Ye peut mesurer la transition d’horloge nucléaire avec une précision de un billionième
- Une précision supérieure est nécessaire pour observer des variations plus fines que celles déjà exclues par les horloges atomiques existantes
- Les changements possibles pourraient être de l’ordre du dix-billionième, ce que Ye situe à un horizon de « plusieurs années »
- Le thorium-229, issu d’un ancien sous-produit de la guerre froide, pourrait devenir un outil pour rechercher des indices d’une physique plus profonde, encore inconnue, qui soutient l’Univers
1 commentaires
Avis de Hacker News
Même si l’on fabrique une horloge nucléaire avec ça et que la dérive d’Allan devient suffisamment faible pour être utile, il faudra sans doute des années d’observation pour accumuler assez de données afin de mesurer une différence significative et en tirer quelque chose
Pendant ce temps, il faudra compenser l’effet d’un déplacement de l’objet de seulement 1 cm vers le haut ou vers le bas, la position de la Lune et toutes sortes d’autres sources de bruit
Je ne doute pas qu’ils finiront par y arriver, et ce sera fascinant d’entendre un jour tout le processus
En attendant, j’ai trouvé la retranscription YouTube d’une conférence qui explique de la façon la plus claire que j’aie vue comment fonctionnent les horloges atomiques à l’échelle d’une puce : https://www.youtube.com/watch?v=wHYvS7MtBok
J’attends aussi avec impatience les horloges à réseau optique à l’échelle d’une puce
En plus, le coût de déploiement semble bien inférieur à celui du matériel d’interférométrie, donc on pourrait installer suffisamment de répliques partout dans le monde pour compenser aussi les sources de bruit locales
Il est intéressant de mettre en regard le passage disant que « beaucoup de noyaux atomiques ont des transitions de spin similaires, mais que dans le thorium 229 cette compensation est presque parfaite » et celui selon lequel « les constantes physiques pourraient ne pas être réellement constantes »
Si les constantes physiques varient avec le temps, le thorium 229 n’est peut-être pas spécial en soi : c’est peut-être simplement l’isotope dans lequel, à notre époque, la répulsion électrique et l’interaction nucléaire forte s’équilibrent par hasard
Dans un milliard d’années, un autre élément jouera peut-être ce rôle, et nous avons peut-être la chance de vivre à une époque où un isotope d’un élément existant tombe exactement comme il faut
Le moment ou l’endroit optimal où les deux forces s’équilibrent exactement a peut-être déjà existé, ou viendra peut-être, et ce pourrait être l’idéal pour mesurer précisément la variation des constantes. Un peu comme une éclipse était une bonne occasion de vérifier la courbure de la lumière par la gravité
Il reste malgré tout des nombres, comme la constante de structure fine, qui semblent difficiles, voire impossibles, à dériver d’autres valeurs. L’explication que j’ai rencontrée en vulgarisation est le principe anthropique : ces valeurs doivent être ainsi pour que quelqu’un puisse poser la question
Je ne sais pas vraiment comment les scientifiques le voient en pratique
Les interactions électromagnétiques qui produisent les forces ordinaires sont elles aussi liées à la vitesse de la lumière, et tout le reste de même
D’autres constantes peuvent varier, mais il serait très surprenant que la vitesse de la lumière observée localement puisse changer
Si l’on dit que des nombres comme la vitesse de la lumière ou la constante gravitationnelle déterminent le fonctionnement de l’univers mais pourraient ne pas être constants, alors, pour un non-physicien, la gravité m’a toujours semblé être une force susceptible de varier
Cela pourrait peut-être fournir une explication alternative au problème de la matière noire manquante, ou au fait que beaucoup d’êtres vivants sur Terre étaient plus grands il y a des millions d’années. Bien sûr, faute de bagage en physique, il se peut qu’essayer d’expliquer ces deux phénomènes ensemble mène à des contradictions
L’article parle de 26 constantes, mais en regardant https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_physical_constants, il semble y en avoir davantage
Et pour les constantes qui sont des rapports, comme la constante de structure fine, j’ai l’impression que même s’il y avait un changement réel, on ne pourrait pas le détecter si le rapport restait le même. Un peu comme π, qui resterait inchangé parce que c’est aussi un rapport
De plus, ces 26 constantes particulières ne sont pas gravées dans le marbre. Prendre 1/c comme constante au lieu de c serait tout aussi valide, et on pourrait réécrire n’importe quelle équation pour utiliser 1/c à la place de c
Dans le cas d’un rapport, c’est justement la question de savoir si ce rapport est réellement constant que l’on cherche à tester
Pour mesurer une constante, il faut quelque chose qui soit constant ; mais s’il n’existe pas de constante à laquelle la comparer, on ne peut pas savoir ce qui est constant. Cela m’a toujours semblé être une sorte d’erreur logique
Au final, on ne peut que supposer que quelque chose est constant ; en réalité, ce ne serait peut-être que quelque chose qui semble constant
Lire les travaux du physicien Julian Barbour sur le temps donne des intuitions assez étonnantes. C’est l’idée que « le temps naît du changement » : https://www.youtube.com/watch?v=GoTeGW2csPk
Si l’on change la température, les deux changent de taille, mais en les mesurant à plusieurs températures, on peut obtenir le rapport entre les deux coefficients de dilatation thermique
Fait amusant, si l’on utilise un thermomètre au mercure, on mesure en pratique tout relativement au coefficient de dilatation thermique du mercure
Si les constantes fondamentales ne sont pas toujours vraies, la matière d’autres galaxies se comporterait différemment de celle de notre Galaxie. Je débat parfois de ce sujet, mais les autres répètent que puisque les longueurs d’onde sont les mêmes, tout le reste doit l’être aussi.
De mémoire, cela a déjà été étudié, mais je ne trouve pas de référence sur le moment.
Alors, la matière noire et l’énergie sombre existent-elles vraiment, ou notre compréhension des lois de l’Univers est-elle incomplète ?
Si les constantes fondamentales étaient différentes dans le passé, cela pourrait simplement apparaître comme une modification des distances que nous mesurons.
Si les constantes fondamentales peuvent varier, j’ai l’impression que cela violerait la conservation de l’énergie et le deuxième principe de la thermodynamique.
Il me semble que quelqu’un a dit : « si votre théorie viole le deuxième principe de la thermodynamique, il n’y a plus d’espoir ». Est-ce que je rate quelque chose ?
C’est parce que peu de gens vont jusqu’à apprendre la cinétique physique, par exemple au niveau des 10 volumes de Landau.
Il n’est pas difficile d’imaginer une situation où l’énergie d’un système fermé change sans que cela suffise à réduire l’entropie totale. Cela pourrait être le cas, par exemple, si l’énergie d’un système fermé diminue.
Certaines choses peuvent sembler extrêmement constantes, mais il faudrait les mesurer à des échelles de temps absurdement petites ou grandes, au point que ce soit pratiquement impossible.
La question de savoir si la constante gravitationnelle G est réellement constante reste encore assez ouverte.
De plus, le résultat dépend de l’usage du temps atomique ou du temps dynamique. Avec le temps dynamique, les réflecteurs laser lunaires ne mesurent aucune variation.
Question peut-être idiote, mais comment juge-t-on l’exactitude de l’horloge la plus précise ? Il n’y a rien de plus exact avec quoi la comparer, non ?
Ce que tu voulais probablement évoquer, c’est l’hypothèse de l’électron unique. C’est une idée amusante, parce que le diagramme de Feynman d’un antiélectron ressemble à un électron qui remonte le temps.
On peut donc imaginer qu’un seul électron rebondit en avant et en arrière dans le temps en formant une ligne d’univers intriquée, et que nous l’observons parfois comme un antiélectron.
Pour les photons, il n’y a pas d’antiphoton, donc ce raisonnement ne fonctionne pas.
Quoi qu’il en soit, c’est une idée amusante qui donne ce genre de moment « waouh ! » que Feynman savait bien produire, mais elle ne semble pas être prise au sérieux comme théorie.
Expérimentalement comme dans nos meilleures théories, ces particules sont littéralement identiques, à ceci près que la variable temps porte un signe moins.
Et cela s’applique aussi au photon. L’antiphoton existe : c’est tout simplement le photon lui-même. Le photon est une particule symétrique par renversement du temps.
Feynman a immédiatement réfuté l’idée en faisant remarquer qu’il y a plus d’électrons que de positrons.