Étude resserre les contraintes basées sur l'intrigue de King sur une éventuelle cinquième force hypothétique

23 juin 2025    fonctionnalité

par Ingrid Fadelli, Phys.org

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édité par                                                                                                                Sadie Harley, examiné par Robert Egan

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Alors que le Modèle Standard (MS) décrit toutes les particules fondamentales connues et bon nombre des interactions entre elles, il échoue à expliquer la matière sombre, l'énergie sombre et l'asymétrie apparente entre la matière et l'antimatière dans l'univers. Au cours des dernières décennies, les physiciens ont ainsi introduit divers cadres et méthodes pour étudier la physique au-delà du MS, dont l'un est connu sous le nom de la trame King.

La trame King est une technique graphique utilisée pour analyser des déplacements isotopiques, des variations dans les niveaux d'énergie de différents isotopes (par exemple, des atomes du même élément contenant un nombre différent de neutrons). Cet outil graphique s'est révélé prometteur pour séparer les effets expliqués par le MS des signaux liés à une nouvelle physique.

Des chercheurs du Physikalisch-Technische Bundesanstalt, de l'Institut Max Planck pour la physique nucléaire et de l'ETH Zurich ont récemment recueilli de nouvelles mesures qui resserrent les contraintes basées sur la trame King en ce qui concerne les propriétés d'une particule hypothétique encore non observée, connue sous le nom de boson de type Yukawa.

Leur article, publié dans Physical Review Letters, met en lumière davantage le potentiel de la spectroscopie des déplacements isotopiques et de la technique de la trame King pour tester les théories de la physique des particules et rechercher une physique en dehors du MS.

« En 2015, mon groupe a réalisé des mesures de déplacement isotopique sur des transitions larges, dipolaires, autorisées dans Ca+ avec une incertitude de 100 kHz en utilisant une nouvelle technique (spectroscopie des reculs de photons) que nous avions développée auparavant », a déclaré Piet O. Schmidt, auteur principal de l'article, à Phys.org.

« Quelques années plus tard, ces données ont été utilisées par une collaboration à l'Institut Weizmann en Israël pour mettre des bornes sur une hypothétique cinquième force. Il était clair que les bornes pouvaient être significativement améliorées en utilisant des transitions étroites dans les isotopes du calcium, en particulier en combinant les transitions de différents états de charge.

« José Crespo et son groupe ont réalisé les premières mesures in-EBIT sur Ca14+ et ont déterminé la sensibilité à la nouvelle physique qui a aidé mon groupe à trouver les transitions en utilisant la spectroscopie logique quantique et à mesurer le déplacement isotopique jusqu'au niveau de 100 mHz. »

En 2023, vers la même époque où Crespo et son équipe de recherche ont effectué les premières mesures de Ca14+ à l'intérieur d'un piège à ions à faisceau d'électrons, Schmidt et ses collègues ont pris connaissance des efforts d'une autre équipe dirigée par Diana Aude Craik, impliquant des chercheurs du groupe de Jonathan Home à l'ETH.

Craik refaisait les mesures de décalages isotopiques de la transition horaire du Ca+ (c'est-à-dire, effectuant des mesures plus précises de ce décalage isotopique dans cinq isotopes, sur une transition optique spécifique généralement exploitée pour développer des horloges atomiques optiques).

« En piégeant les paires d'isotopes, nous avons réalisé une mesure directe et différentielle du décalage isotopique, éliminant les principales sources de bruit expérimental affectant les deux ions, pour améliorer la précision de la mesure de deux ordres de grandeur », a expliqué Luca Huber, étudiant diplômé à l'ETH, qui est l'un des co-premiers auteurs de l'étude.

« C'était la première fois qu'une non-linéarité était observée dans une trame King du calcium », a ajouté Craik.

« Des trames King avaient été auparavant réalisées dans le calcium, même avec une précision de mesure d'environ 10 Hz. Notre groupe à l'ETH a amélioré la précision de la transition dans Ca+ à 100 mHz, et le groupe de Piet a atteint une précision similaire dans Ca14+. Cela, combiné à l'amélioration de la précision des rapports de masse nucléaire par Klaus Blaum, nous a permis de réaliser une trame King sub-Hz, révélant enfin la non-linéarité. »

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Dans un précédent article publié en 2017, Fuchs a utilisé la spectroscopie des décalages isotopiques pour établir des bornes sur une hypothétique cinquième force (c'est-à-dire, une nouvelle interaction fondamentale entre les particules qui n'est pas encore connue).

Dans le cadre de leur étude récente, Schmidt et Fuchs ont établi une nouvelle collaboration impliquant Craik et divers autres experts dans divers domaines de la physique, y compris la spectroscopie optique de précision et la spectrométrie de masse, la théorie de la structure atomique et nucléaire et la physique des hautes énergies, dans le but de resserrer davantage les contraintes sur cette cinquième force hypothétique.

"Nous avons demandé à Craik de rejoindre notre collaboration et avions déjà contacté Klaus Blaum pour une mesure améliorée des masses nucléaires, car nous savions que sinon, nous serions limités par leur incertitude", a déclaré Schmidt.

"Elina Fuchs de l'Université Leibniz de Hanovre était en tête de l'interprétation des données sous forme de graphique d'exclusion et coordonnait le consortium, qui était complété par d'autres collègues théoriciens travaillant sur les calculs de structure atomique et nucléaire des effets du modèle standard d'ordre supérieur."

Dans le cadre de leur nouvelle collaboration, Schmidt et ses collègues ont combiné leurs mesures des décalages isotopiques des transitions horlogères du Ca+ et du Ca14+. Le décalage isotopique d'une transition dépend de deux facteurs clés, à savoir les différences dans la distribution de la charge nucléaire et les différences de masse nucléaire.

"La dépendance vis-à-vis du changement de taille nucléaire peut être éliminée en mesurant deux transitions", a expliqué Fuchs.

"Cela conduit à une dépendance linéaire entre le décalage isotopique normalisé par la masse des deux transitions, appelée un graphique de King. Une force hypothétique de cinquième ordre briserait cette linéarité, tout comme le feraient des contributions du modèle standard d'ordre supérieur. Nous avons observé une non-linéarité de plus de 1000 écarts-types."

"Des calculs très précis du décalage de masse du second ordre nous ont permis de soustraire sa contribution. Les estimations théoriques indiquent que la grande non-linéarité restante pourrait être causée par la polarisabilité nucléaire, qui ne peut actuellement pas être calculée avec une grande précision."

Les nouvelles mesures effectuées par la collaboration pourraient aider à améliorer les modèles nucléaires d'un effet connu sous le nom de polarisabilité nucléaire, qui implique la distorsion d'un noyau atomique par des champs électromagnétiques. De plus, les chercheurs ont pu ajouter une troisième transition au graphique de King qui avait été mesurée précédemment par différents groupes de recherche avec une précision de 6 à 20 Hz. Cela a réduit l'espace de paramètres pour les interactions de type Yukawa, qui pourraient être une force hypothétique de cinquième ordre.

"En ajoutant une troisième transition au graphique de King, nous avons pu éliminer d'autres contributions du modèle standard et obtenir la limite la plus contraignante basée sur le graphique de King pour l'existence d'une force de cinquième ordre couplant les neutrons aux électrons", a déclaré Fuchs.

"Notre étude a mis en lumière l'importance de la polarisabilité nucléaire en tant que contribution significative aux mesures de décalage isotopique de haute précision."

Les chercheurs espèrent que leur étude inspirera de nouvelles études de physique nucléaire axées sur la polarisabilité nucléaire, ce qui pourrait enrichir davantage la compréhension actuelle de la physique nucléaire. Pendant ce temps, ils prévoient d'effectuer des mesures de spectroscopie de plus en plus précises qui pourraient établir des contraintes encore plus contraignantes basées sur le graphique de King pour une possible force de cinquième ordre au-delà du MS.

Craik et ses collègues de l'ETH mesurent actuellement la troisième transition incluse dans l'analyse avec une précision accrue, visant une précision de 10 mHz. Cette mesure pourrait ouvrir la voie à des recherches encore plus ciblées sur les interactions au-delà du MS.

"Cette mesure nous aidera à déterminer si la contribution de la polarisabilité nucléaire peut être 'éliminée' en faisant un graphique de King de dimension supérieure avec plus de transitions", a déclaré Craik.

"Si nous découvrons que cette contribution peut être éliminée par l'expérience seule, les défis liés au calcul de cet effet nucléaire ne nous empêcheraient plus de pousser la sensibilité à la nouvelle physique de la spectroscopie de décalage isotopique dans un espace inexploré."

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Plus d'informations: Alexander Wilzewski et al, Nonlinear Calcium King Plot Constrains New Bosons and Nuclear Properties, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.233002.

Informations sur la revue: Physical Review Letters

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