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Le thorium dans le tableau périodique des éléments © GettyImages

Une horloge basée sur la transitions entre deux états nucléaires de thorium-229 serait la plus précise jamais conçue au monde. Pour la concevoir, des physiciens ont réussi à mesurer l’énergie de l’état excité le plus bas du noyau de thorium-229, appelé thorium-229m – qui est aussi le plus bas de tous les états excités nucléaires – avec une précision inédite à ce jour. Cet état a été découvert par les physiciens L. A. Kroger et C. W. Reich en 1976 lors d’une analyse de la structure du niveau nucléaire du thorium.

Ce minuscule noyau pourrait constituer l’horloge la plus précise au monde, si les physiciens parvenaient à compter les tic-tacs de la transition entre l’état fondamental du noyau de thorium-229 et le thorium-229m. Cette horloge serait moins affectée par les champs électromagnétiques externes que ne le sont les horloges atomiques actuelles, qui « perdent » une seconde… tous les 13 milliards d’années. 

Ces dernières « fonctionnent » à des fréquences fixées par les transitions régulières des électrons au sein des atomes ou des ions, mesurées par un laser. La nouvelle horologe serait encore plus précise, car la petite taille du noyau atomique, comparée à la « coque » électronique d’un atome, le protège contre les champs électromagnétiques externes.

Selon le chercheur à l’origine de la recherche, Thorsten Schumm, de l’université de technologie de Vienne (Autriche), il est possible d’exciter a minima un noyau de thorium simplement en l’éclairant aux UV avec un laser de table. Une fois cet exploit réalisé, une horloge nucléaire pourrait être « fabriquée » en mesurant la fréquence d’oscillation du noyau lors de sa transition entre le thorium-229 et le thorium-229m.

Pour mesurer plus précisément l’énergie du thorium-229m, l’équipe a recouru à un instrument plus précis et déployé d’importants efforts pour « nettoyer » les échantillons de thorium-229, grâce à une technique basée sur la désintégration dite alpha de l’uranium 233 radioactif. Ce processus s’accompagne de l’émission de multiples rayons gamma, chacun correspondant à une transition entre des niveaux nucléaires donnés de thorium-229. L’énergie du thorium-229m peut ainsi être calculée en soustrayant les énergies mesurées des autres lignes de rayons gamma.

Une telle horloge serait extrêmement sensible à l’interaction électromagnétique, l’une des quatre forces physiques à l’œuvre dans la nature. Elle permettrait donc d’imposer des contraintes plus strictes au modèle standard de la physique des particules, voire d’ouvrir la voie à un modèle alternatif.