Les mesures de la décroissance radioactive d'une clé rapprochent une horloge nucléaire de la réalité.

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Une variété spéciale de l'élément thorium héberge un noyau atomique qui pourrait être utilisé pour mesurer le temps, affirment les scientifiques. Pour la première fois, des chercheurs ont mesuré un type de décomposition de ce noyau de thorium qui libère une seule particule de lumière. La mesure de l'énergie libérée dans cette décomposition est sept fois plus précise que les estimations basées sur d'autres types de décompositions, les chercheurs rapportent dans Nature du 25 Mai. Cette mesure d'énergie améliorée pourrait donner du poids au travail de création de la première horloge atomique, qui suivrait les traces des horloges atomiques.

"Nous avons déjà des horloges atomiques incroyables qui fonctionnent avec une grande précision", déclare le physicien nucléaire Sandro Kraemer de l'Université de Leuven en Belgique. Ces horloges atomiques reposent sur la physique des électrons qui entourent un atome. Une horloge nucléaire reposerait sur le noyau de l'atome. Certains scientifiques pensent que les horloges nucléaires pourraient être encore plus précises que les horloges atomiques, qui sont déjà des outils si puissants qu'ils sont utilisés dans tout, des satellites GPS aux expériences qui testent si les lois fondamentales de la physique sont vraies.

La technologie bien établie des horloges atomiques est basée sur la façon dont les électrons d'un atome sautent dans un état d'énergie plus élevé. Il faut une fréquence spécifique de lumière, avec la quantité exacte d'énergie, pour initier le saut. L'oscillation de cette lumière agit comme si c'était le tic-tac d'une horloge. Une horloge nucléaire reposerait sur des sauts d'énergie similaires effectués par un noyau.

La plupart des noyaux atomiques ont des niveaux d'énergie trop éloignés les uns des autres pour permettre aux scientifiques de déclencher le saut avec un laser, une nécessité pour construire une horloge. Mais une variété particulière, ou isotope, de thorium appelée thorium-229 a deux niveaux d'énergie inhabituellement rapprochés - environ 8 électrons volts. Cependant, personne n'a pu initier le saut avec un laser, car la taille de cet écart d'énergie n'était pas connue précisément jusqu'à présent.

Kraemer et ses collègues ont mesuré l'énergie libérée lorsque les noyaux de thorium-229 se sont décomposés, passant d'un état d'énergie plus élevé à un état d'énergie plus bas. Tout d'abord, l'équipe a dû amener le thorium-229 dans cet état d'énergie élevé, appelé isomère. Une façon de le faire est de partir d'un autre élément qui peut se décomposer en isomère de thorium. En utilisant un faisceau radioactif à la station ISOLDE située au laboratoire de physique européen CERN près de Genève, l'équipe a intégré de l'actinium-229 dans les cristaux de fluorure de calcium et de fluorure de magnésium. L'actinium-229 s'est décomposé, produisant l'isomère de thorium-229.

Cette technique a aidé les scientifiques à contourner un point de blocage. Normalement, le thorium-229 se décompose de manière à rendre l'énergie difficile à mesurer, en transférant son énergie à un électron et en le faisant sortir de l'atome. Une décomposition qui émet une particule de lumière, ou photon, est beaucoup plus facile à mesurer, mais elle ne se produit normalement qu'une fois sur un milliard de décompositions.

L'intégration du thorium-229 dans les cristaux a réprimé la décomposition plus difficile à mesurer, faisant que la décomposition en photon unique dominait. Cela a permis aux chercheurs de détecter les photons uniques à partir de décompositions d'isomères et de mesurer leur énergie. Les chercheurs ont estimé que la décomposition avait une énergie de 8,338 électrons volts. Ce chiffre est en accord avec les mesures précédentes concernant l'écart entre les deux niveaux d'énergie, mais il est bien plus précis.

"C'est un jalon que les gens ont cherché à atteindre", déclare le physicien quantique Simon Stellmer de l'Université de Bonn en Allemagne, qui n'a pas participé à l'étude. Les affirmations précédentes de détection de ce type de décomposition ne se sont pas tenues, explique Stellmer. "Ceci semble être la première observation vraie et réelle de cette décomposition d'isomères."

Les physiciens travaillent maintenant à l'utilisation d'un laser pour déclencher la transition d'énergie, passant de l'état d'énergie faible à l'isomère d'énergie plus élevée, dans la prochaine étape de la création d'une horloge nucléaire. "C'est en fait quelque chose que nous essayons de faire dans notre laboratoire", déclare le physicien Ekkehard Peik de l'Institut national de métrologie de l'Allemagne à Braunschweig, qui n'a pas participé à la nouvelle recherche. "C'est pourquoi nous sommes très excités."

Une horloge nucléaire pourrait fournir un nouvel angle sur les phénomènes de la physique. "Ce serait très intéressant de comparer les horloges atomiques conventionnelles et les horloges nucléaires car la physique sous-jacente est différente", explique Peik. Par exemple, les horloges nucléaires pourraient révéler des variations subtiles dans les constantes fondamentales de la nature.

Un autre avantage de l'utilisation de noyaux est que les horloges pourraient être produites avec des noyaux à l'intérieur d'un matériau solide, au lieu de horloges atomiques, dans lesquelles les atomes doivent être suspendus à l'intérieur d'une chambre à vide. Cela signifie qu'une horloge nucléaire pourrait être plus stable et faire des mesures plus rapidement, explique Kraemer.