Les horloges au thorium traquent la matière noire

À Vienne, une horloge nucléaire a rendu une recherche ciblée de matière noire 100 à 1 000 fois plus sensible que les précédentes expériences avec des horloges atomiques. Aucun signal n’a été détecté en 23 heures, mais l’expérience resserre les limites sur certaines interactions possibles.

Les horloges de Vienne et de Pékin prennent pour référence le noyau du thorium-229 (Vienne, Nature, Pékin, Nature). Elles restent moins stables que les meilleures horloges atomiques, mais celle de Vienne a déjà amélioré la sensibilité d’une recherche de matière noire (Nature). Son intérêt tient à une différence précise : le noyau et les électrons ne réagissent pas forcément de la même manière aux variations de certaines constantes de la nature.

À l’écoute d’un noyau

Une horloge atomique ressemble à un musicien qui s’accorde sur une note de référence. Un laser est réglé sur la fréquence de la lumière absorbée par les électrons de l’atome, puis un système de rétroaction le maintient à cette fréquence. Les oscillations régulières du laser font alors office de tic-tac.

Les noyaux demandent généralement bien plus d’énergie qu’un laser ne peut en fournir : ils semblaient donc hors de portée comme références. Le thorium-229 fait exception, car son noyau possède une transition d’environ 8,4 électronvolts, accessible avec de la lumière ultraviolette (Physical Review Letters).

Les premières expériences avaient repéré cette note, mais il fallait attendre environ dix minutes que les noyaux excités émettent de la lumière (TU Wien). Les nouvelles horloges mesurent plutôt l’absorption : elles suivent la quantité de lumière ultraviolette absorbée par les noyaux de thorium intégrés dans un cristal. Le signal arrive rapidement et permet aux noyaux de corriger le laser en continu, une avancée déjà signalée cette semaine (To Brief).

L’horloge de Vienne a fonctionné plus de 24 heures sans intervention (TU Wien). Pékin a produit sa lumière ultraviolette par une autre méthode : la référence nucléaire ne dépend donc pas d’un seul type d’équipement.

Une journée à traquer un frémissement

Vienne a ensuite comparé son horloge nucléaire à une horloge atomique à ions d’ytterbium du BEV, l’institut autrichien de métrologie. Si les deux horloges réagissent de la même façon à leur environnement, le rapport entre leurs fréquences reste constant. S’il varie, quelque chose pourrait affecter différemment les noyaux et les électrons.

Le thorium est particulièrement sensible à ce type de différence. Sa faible transition résulte de la quasi-annulation de contributions bien plus grandes : le résultat ressemble au solde obtenu en soustrayant deux sommes énormes, qui peut beaucoup varier si l’une des deux bouge légèrement. La théorie prévoit donc qu’une petite variation des constantes de la nature déplacerait la fréquence nucléaire bien davantage qu’une fréquence électronique.

Certains modèles de matière noire la décrivent comme un champ invisible qui remplit l’espace et oscille lentement, faisant varier ces constantes. Si ce champ existe, le rapport entre les deux horloges devrait osciller à son tour.

Sur environ 23 heures de mesures, aucune oscillation n’a dépassé le bruit de fond (arXiv). Ce résultat négatif écarte néanmoins les modèles qui auraient dû produire un signal visible. Le gain de sensibilité concerne la matière noire susceptible d’interagir par la force forte, celle qui lie les noyaux atomiques, et seulement dans une partie de la gamme de masses envisagée. Pour les interactions avec la lumière, les nouvelles limites égalent simplement celles des horloges atomiques précédentes ; leur précision dépend aussi des estimations théoriques de la sensibilité du thorium (dossier d’évaluation de Nature).

Pourquoi ces nouvelles horloges dérivent encore

Les deux horloges nucléaires dérivent bien davantage que les meilleures horloges atomiques, comme celle à ions d’aluminium du NIST (NIST). L’absorption est faible : pour repérer le centre de la fréquence, les appareils doivent donc s’appuyer sur de très petites variations de la lumière détectée.

Le cristal pose un autre problème. Les noyaux de thorium n’ont pas tous le même environnement et ne résonnent donc pas exactement à la même fréquence. À Vienne, la raie a varié jusqu’à environ 1,7 kilohertz selon l’endroit où le laser traversait le cristal (Nature).

La largeur de raie désigne l’étendue des fréquences auxquelles la transition répond : une raie étroite donne une référence précise, tandis qu’une raie large est plus difficile à suivre. Dans un prépublicé de chercheurs de JILA et de TU Wien, qui n’a pas encore été évalué par les pairs, la largeur d’une transition passe de 28,6 à 94,8 kilohertz entre trois cristaux contenant des concentrations croissantes de thorium (arXiv). Ekkehard Peik, du PTB, a souligné l’écart avec la largeur naturelle du noyau, qui devrait être bien inférieure à un hertz (Physics World).

Les premières horloges nucléaires restent de mauvais garde-temps, mais elles servent déjà à la recherche. En comparant pendant une journée un noyau aux électrons d’un atome, les physiciens ont resserré certaines limites sur la manière dont la matière noire pourrait agir sur la force forte. La faiblesse du signal et les cristaux qui abritent les noyaux empêchent encore ces horloges d’exploiter toute la précision que la transition du thorium pourrait offrir.