Horloges nucléaires : le tic-tac du noyau pour traquer la matière noire express
Les horloges les plus précises actuelles mesurent le temps grâce aux oscillations des électrons dans les atomes. Mais leur marche peut être perturbée — comme le ressort d'une montre mécanique est déréglé par les secousses. Les physiciens ont trouvé un balancier plus fiable : le noyau atomique. Ils ont pris un noyau de thorium-229, l'ont placé dans un cristal et l'ont fait osciller en l'éclairant avec un laser à une fréquence très précise. Cette technique s'appelle la spectroscopie — en somme, trouver le bon rythme pour que le balancier se mette à « battre ». Et le noyau a répondu : il oscille 2000 billions de fois par seconde — un million de fois plus vite que le quartz d'un smartphone.
La précision est stupéfiante : sur une journée, l'erreur est d'un milliardième de milliardième de seconde. Une telle horloge ne dériverait que d'une seconde en 30 milliards d'années. Mais surtout, ce balancier est extrêmement sensible à tout « souffle » extérieur, par exemple au passage de particules de matière noire. Les scientifiques ont cherché ses traces — des secousses périodiques ou une dérive progressive de la fréquence. Ils n'ont rien trouvé, mais c'est déjà un résultat : nous savons désormais à quel point la matière noire peut interagir faiblement avec les noyaux atomiques ordinaires.
À l'avenir, la précision de ces horloges à l'état solide sera multipliée. Elles vérifieront si les constantes fondamentales du modèle standard sont vraiment constantes, et peut-être remarqueront-elles que le temps s'écoule différemment à différentes altitudes — conformément à la théorie d'Einstein. En attendant, leur mission principale est de capter « l'ombre » de la matière noire.
Résumé original
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2606.04997
The laser-accessible nuclear transition in the thorium-229 isotope has been identified as a promising candidate for the realization of an optical nuclear clock. Such a nuclear clock might rival or outperform current optical clocks based on electron-shell transitions in atoms or ions, is expected to be more robust against external perturbations, and provides enhanced sensitivity in clock-based tests of fundamental principles of physics. Here, we implement a thorium-229 nuclear clock by stabilizing a continuous-wave laser to the 148 nm nuclear transition with rapid feedback based on continuous absorption spectroscopy. The thorium-229 nuclei are embedded into a millimeter-sized, room temperature calcium fluoride crystal. A subharmonic of the 148 nm radiation is continuously compared to a Yb+ single-ion clock. The nuclear clock shows a simple shot-noise limited scaling of the fractional frequency instability of $$3\cdot 10^{-12} \sqrt{\tau/\text{s}}$$ where $$\tau$$ is the averaging time, approaching $$10^{-15}$$ instabilities over 1 day of continuous operation. Improvements of the instability by several orders of magnitude can be projected for future solid-state nuclear clocks. We use the nuclear clock to constrain models of ultralight dark matter by searching for periodic fluctuations and slow drifts in the nuclear transition energy, on time scales between 20 s and 1 day. Drawing benefit from the enhanced sensitivity of the thorium-229 transition, these constraints compete with the best atomic clocks concerning dark matter coupling to photons and go beyond previous measurements regarding coupling to the strong force and quarks.
La transition dans le noyau de thorium-229 est la seule dans tout l'Univers qui puisse être « attrapée » par un laser de la technologie actuelle. C'est pourquoi on l'a choisie pour les premières horloges nucléaires.