Comment vibrent les noyaux atomiques

Les atomes simples font l’objet d’investigations expérimentales et théoriques de précision depuis près de 100 ans, avec des travaux pionniers menés sur la description et la mesure de l’atome d’hydrogène, l’atome le plus simple à un seul électron. Actuellement, les énergies des atomes d’hydrogène – et donc leur spectre électromagnétique – sont les énergies les plus précisément calculées d’un système quantique lié. Comme des mesures extrêmement précises du spectre peuvent également être effectuées, la comparaison des prédictions théoriques et des mesures permet de tester la théorie sur laquelle la prédiction est basée.

Ces tests sont très importants. Les chercheurs du monde entier recherchent – bien qu’en vain à ce jour – des preuves de nouveaux effets physiques qui pourraient se produire en raison de l’existence de la matière noire. Ces effets conduiraient à un écart entre la mesure et la prédiction.

Contrairement à l’atome d’hydrogène, la molécule la plus simple n’a pas fait longtemps l’objet de mesures de précision. Cependant, le groupe de recherche dirigé par le professeur Stephan Schiller Ph.D. de la chaire de physique expérimentale du HHU s’est consacré à ce sujet. A Düsseldorf, le groupe a mené des travaux pionniers et développé des techniques expérimentales parmi les plus précises au monde.

La molécule la plus simple est l’ion hydrogène moléculaire (MHI) : une molécule d’hydrogène, à laquelle il manque un électron et qui comprend trois particules. Une variante, H₂⁺comprend deux protons et un électron, tandis que HD⁺ comprend un proton, un deutéron – un isotope plus lourd de l’hydrogène – et un électron. Les protons et les deutérons sont des “baryons” chargés, c’est-à-dire des particules soumises à la force dite forte.

Au sein des molécules, les composants peuvent se comporter de différentes manières : les électrons se déplacent autour des noyaux atomiques, tandis que les noyaux atomiques vibrent ou tournent les uns contre les autres, les particules agissant comme des ondes. Ces mouvements ondulatoires sont décrits en détail par la théorie quantique.

Les différents modes de mouvement déterminent les spectres des molécules, qui se reflètent dans différentes raies spectrales. Les spectres apparaissent de la même manière que les spectres atomiques, mais sont nettement plus complexes.

L’art de la recherche actuelle en physique consiste désormais à mesurer extrêmement précisément les longueurs d’onde des raies spectrales et, à l’aide de la théorie quantique, à calculer également ces longueurs d’onde avec une extrême précision. Une correspondance entre les deux résultats est interprétée comme une preuve de l’exactitude des prédictions, tandis qu’une non-concordance pourrait être un indice de “nouvelle physique”.

Au fil des ans, l’équipe de physiciens du HHU a affiné la spectroscopie laser de l’ICM, en développant des techniques qui ont amélioré la résolution expérimentale des spectres de plusieurs ordres de grandeur. Leur objectif : plus les spectres peuvent être mesurés avec précision, mieux les prédictions théoriques peuvent être testées. Cela permet d’identifier tout écart potentiel par rapport à la théorie et donc également des points de départ sur la manière dont la théorie pourrait devoir être modifiée.

L’équipe du professeur Schiller a amélioré la précision expérimentale à un niveau supérieur à la théorie. Pour y parvenir, les physiciens de Düsseldorf confinent un nombre modéré d’environ 100 MHI dans un piège à ions dans un conteneur à ultravide, en utilisant des techniques de refroidissement par laser pour refroidir les ions jusqu’à une température de 1 millikelvin. Cela permet une mesure extrêmement précise des spectres moléculaires des transitions rotationnelles et vibrationnelles. Suite à des recherches antérieures sur des raies spectrales avec des longueurs d’onde de 230 μm et 5,1 μm, les auteurs présentent maintenant des mesures pour une raie spectrale avec la longueur d’onde nettement plus courte de 1,1 μm dans Nature Physics.

Professeur Schiller : “La fréquence de transition déterminée expérimentalement et la prédiction théorique concordent. En combinaison avec les résultats précédents, nous avons établi le test le plus précis du mouvement quantique des baryons chargés : tout écart par rapport aux lois quantiques établies doit être inférieur à 1 partie en 100 milliards, s’il existe.”

Le résultat peut également être interprété d’une manière alternative : hypothétiquement, une autre force fondamentale pourrait exister entre le proton et le deutéron en plus de la force de Coulomb bien connue (la force entre les particules électriquement chargées). L’auteur principal, le Dr Soroosh Alighanbari : “Une telle force hypothétique peut exister en relation avec le phénomène de la matière noire. Nous n’avons trouvé aucune preuve d’une telle force au cours de nos mesures, mais nous poursuivrons nos recherches.”