L'atome d'hélium est comme un système solaire miniature : les électrons tournent autour du noyau, mais leurs orbites sont régies par des règles strictes. Les scientifiques ont appris à observer ces mouvements avec une précision incroyable. Dans une nouvelle expérience, ils ont mesuré la fréquence de la transition entre deux états de l'atome d'hélium-4, comme s'ils avaient capté le moment où une planète saute d'une orbite à une autre.

Pour cela, les atomes d'hélium-4 ont été refroidis jusqu'à un état appelé condensat de Bose-Einstein : des millions d'atomes fusionnent en un nuage unique où tous se déplacent de manière identique. Le nuage était maintenu par un piège laser réglé pour ne pas perturber la transition mesurée. La fréquence a été déterminée avec une incertitude de seulement 48 hertz — c'est comme remarquer que le pendule d'une horloge a oscillé une milliardième de seconde plus tôt. La comparaison avec une horloge située sur une station distante via une ligne en fibre optique a assuré l'étalonnage.

La valeur précise de la différence de taille entre les noyaux d'hélium-3 et d'hélium-4 aide à vérifier l'électrodynamique quantique — la théorie qui décrit l'interaction entre la lumière et la matière. Auparavant, il y avait un écart entre la théorie et l'expérience concernant les énergies d'ionisation des états excités de l'hélium. Le nouveau résultat montre que cet écart n'est pas présent dans le déplacement isotopique : l'énigme réside donc dans d'autres aspects de la théorie. Ainsi, en mesurant de minuscules décalages dans les spectres des atomes, les physiciens testent les lois les plus fondamentales de la nature.