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L’horloge au noyau atomique du thorium arrive

Un garde-temps comprend obligatoirement un oscillateur d’une fréquence bien définie ainsi qu’un système comptant ces oscillations; l’affichage (par aiguilles ou digital) est basé sur ce compteur. La précision d’une montre dépend de la stabilité de l’oscillateur et la fréquence de ce dernier.

Au cours des derniers cent ans, les horlogers, électroniciens et physiciens ont réalisé des progrès spectaculaires au niveau de la précision de la mesure du temps. Un chronomètre mécanique certifié COSC peut dévier d’environ une seconde en 10 000 secondes (1:104) alors qu’un jour comporte 86 400 secondes. Les chronomètres mécaniques destinés autrefois au concours d’observatoire fignolés et dorlotés à un coût énorme atteignaient 1:105 (une seconde par jour)‚ ce qui correspond aujourd’hui à la précision d’un mouvement de montre-bracelet chinois coûtant env. 0.50 CHF (en série de 10 000 pièces). La compensation électronique de la dérive de fréquence du quartz due aux variations de température permet d’atteindre 1:106. Les horloges à quartz professionnelles dans une enceinte très précisément thermostatée vont jusqu’à 1:109, ce qui correspond à une dérive d’une seconde en quelque 30 ans.

L’horloge atomique au césium utilise une transition énergétique due à l’interaction magnétique entre les électrons de l’atome et son noyau. La fréquence de cette transition correspond à des micro-ondes de 33 millimètres. Les horloges au césium commerciales sont garanties à une dérive d’une seconde par million d’années (1:1013); l’heure de référence pour les signaux horaires est donnée par des horloges au césium du type jet d’eau qui atteignent 1:1015 ou 1 seconde en 30 millions d’années.

Horloges atomiques-optiques et horloges nucléaires

Un „saut quantique“ de plus dans la mesure du temps fut réalisé par l’horloge atomique optique dont l’oscillateur vibre dans le domaine des fréquences optiques. Le peigne de fréquence primé par le Prix Nobel en 2005 permet de coupler ces fréquences au domaine des micro-ondes dont la longueur d’onde diffère d’un facteur de l’ordre du million. On atteint ainsi une dérive d’une seconde en un milliard de milliards de secondes (1:1018) ou environ 25 milliards d’années, ce qui est proche du double de l’âge de l’univers.

L’horloge nucléaire basée sur la radiation ultraviolette dure, proche du domaine des rayons X, pourrait bien atteindre 1019. Ce garde-temps d’un concept entièrement nouveau est basé sur l’excitation de noyaux atomiques et non d’électrons. Le problème est qu’une excitation de ce genre nécessite un niveau énergétique d’au moins 10 kilo-électronvolts, pouvant aller jusqu’à plusieurs méga-électronvolts.

Heureusement pour nous il existe une exception unique à cette règle: il s’agit de l’isotope radioactif thorium-229, formé par la désintégration  alpha de l’uranium-233 ; sa demi-vie est der 7917 années. L’excitation de ce noyau s’effectue en deux étapes: l’une de basse énergie dans le domaine ultraviolet, l’autre de haute énergie de l’ordre du kilo-électronvolt ce qui correspond à un rayonnement gamma.

La double excitation du noyau de l’atome de thorium

Benedict Seiferle et ses collègues [1] de l’Université Ludwig-Maximilian à Munich et plusieurs autres instituts de recherche scientifique en Allemagne et à l’Ecole Polytechnique de Vienne, ont récemment réussi à mesurer très exactement l’énergie nécessaire à la transition de l’état fondamental au premier niveau d’excitation (appelé isomérique) du noyau de l’atome de thorium-229 ; elle est de 8,28 ± 0,17 électronvolts. La longueur d’onde associée est de 149,7 nanomètres et se situe donc dans le domaine du rayonnement ultraviolet dur. Les atomes de thorium-229 requis sont obtenus par désintégration de l’isotope d’uranium 233U. Les atomes de thorium se trouvant sur le niveau d’excitation énergétique inférieur sont désignés par le symbole 229mTh.

L’horloge à oscillation nucléaire que pensent réaliser les physiciens à Munich et Vienne pourrait être réalisée par l’excitation directe du noyau de l’atome 229Th par un laser émettant dans l’ultraviolet à la longueur d’onde mentionnée de 149,7 nanomètres (concept «bottom up»). Une équipe de scientifiques sous la direction de Takahito Masuda [2] à l’université d’Okayama au Japon explore actuellement l’alternative « top down ». On excite à cet effet les noyaux du thorium-229 au niveau énergétique supérieur à l’aide de rayons X de 29,19 kilo-électronvolts générés par un synchrotron. On observe ensuite le retour au niveau fondamental, ce qui implique un court arrêt au niveau énergétique de 8,28 électronvolts. De là on atteint le niveau fondamental 82,2 picosecondes plus tard.

Les travaux des équipes de Seiferle et Masuda devraient aboutir d’ici peu à la réalisation d’horloges nucléaires extrêmement robustes et totalement indépendantes d’influences externes. La mesure encore plus précise des constantes physiques, la géodésie, la détermination de la position, l’exploration de la matière noire et la mesure de la vitesse d’expansion de l’univers ainsi que l’observation de processus tectoniques requièrent tous la précision présumée de l’horloge nucléaire.

Références:  [1] B. Seiferle et al., Nature 573, 243 (2019). – [2] T. Masuda et al., Nature 573, 238 (2019)

Photo: Premier modèle d’une horloge nucléaire au Thorium-229 avec le chef d’équipe Bénédict Seiferle (à droite) et deux collaborateurs à l’Université de Vienne.

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