Les mesures de haute précision du temps ont le potentiel de fournir une nouvelle façon d’étudier l’univers en testant à la fois la mécanique quantique et notre théorie de la gravité. Au cours des deux dernières années, les horloges optiques ont battu record après record, mais il existe une méthode pour revenir à plus précis et c’est de développer une horloge nucléaire. Aujourd’hui, de toutes nouvelles mesures qui ont échappé aux physiciens pendant des années nous ont en fait rapprochés d’une mesure.
Alors qu’une horloge atomique mesure les transitions des électrons allumés à l’intérieur d’un atome pour mesurer le temps, une horloge nucléaire recherche ces transitions dans un noyau atomique. Cela a quelques avantages. Le noyau est beaucoup plus petit qu’un atome, il est donc moins vulnérable aux influences extérieures qui pourraient avoir un impact sur la variété des oscillations. Les meilleures horloges atomiques optiques ont une précision de 10 − 18, elles ont donc une imprécision de 1 2e tous les 30 milliards d’années. Une horloge nucléaire serait au moins 10 fois plus précise.
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Alors qu’attendons-nous ? Eh bien, pour la majorité des atomes, les transitions nucléaires nécessitent plus d’énergie que les changements que vous obtenez avec les électrons. Avec notre compréhension et notre technologie existantes, il n’y a qu’un seul aspect possible qui fonctionne : le thorium-229.
Exciter ce noyau à son tout premier état d’énergie plus élevée (également appelé son isomère) ne prend pas beaucoup de temps énergie. Lorsque l’isomère revient à son état fondamental, il émet un photon, un processus appelé désintégration radiative. Ce photon est essentiel à la configuration de l’horloge nucléaire, mais les chercheurs n’avaient pas été en mesure de déterminer cette désintégration auparavant.
Une équipe dirigée par Sandro Kraemer de l’Université Ludwig Maximilian de Munich en Allemagne a déterminé des photons dans l’ultraviolet avec une longueur d’onde de 148 nanomètres et une énergie de transition de 8,338 électronvolts. Les énergies normales sont des centaines sinon d’innombrables fois supérieures à cela. C’est la mesure la plus précise de l’énergie de l’isomère, améliorant l’image théorique d’une horloge nucléaire.
» Nous avons enfin réussi à observer une signature claire de la désintégration radiative de l’isomère nucléaire du thorium-229 dans notre expériences », a déclaré le co-auteur, le Dr Mustapha Laatiaoui, chef de groupe d’étude junior à l’Université Johannes Gutenberg de Mayence, dans une déclaration.
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» En conséquence, nous avons réussi à mesurer son énergie d’excitation avec une précision augmentée d’un facteur de sept que les résultats précédents. Et sur la base de nos mesures, nous avons même pu estimer la demi-vie de la transition radiative, que nous avons estimée à environ 10 minutes. «
Les physiciens ont utilisé le centre ISOLDE au CERN. Là, des atomes d’actinium-229 implantés dans un cristal ont été délégués à la désintégration et se sont transformés en thorium-229. En utilisant une stratégie appelée spectroscopie ultraviolette sous vide, ils ont pu déterminer les maisons de cet élément avec la plus grande précision à ce jour.
« ISOLDE est actuellement l’un des deux seuls centres au monde capables de produire des isotopes d’actinium-229, » Kraemer a gardé à l’esprit. « En incluant ces isotopes dans des cristaux de fluorure de calcium ou de fluorure de magnésium, nous avons produit beaucoup plus de noyaux isomères de thorium-229 et augmenté nos possibilités d’observer leur désintégration radiative. »
Thorium-299 encadré dans un cristal de fluorure de magnésium était actuellement considéré comme un réglage possible pour une horloge nucléaire. Cette toute nouvelle étude montre que même si plus de travail est nécessaire, c’est un bon pari.
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Les résultats ont été publié dans la revue Nature.
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