Cold Hypersonic Gas Jets for Precision Laser Spectroscopy of Radioactive Molecules

Au cœur même de la matière, là où les protons et les neutrons se lient pour former les noyaux atomiques, se cache une subtile asymétrie qui pourrait réécrire notre compréhension de l'univers. Les physiciens soupçonnent depuis longtemps que les forces fondamentales régissant ces particules pourraient ne pas être parfaitement symétriques, une violation connue sous le nom de violation de la charge-parité. Si une telle violation existe, elle se manifesterait par une infime séparation permanente de charges positives et négatives au sein même du noyau, une propriété appelée moment de Schiff nucléaire. Détecter cet effet minuscule est incroyablement difficile car les électrons entourant le noyau le masquent généralement de la vue. Cependant, des scientifiques ont théorisé que s'ils parvenaient à placer ces noyaux à l'intérieur de certaines molécules, les champs électriques internes de la molécule pourraient amplifier ce signal caché, le rendant visible pour des instruments sensibles. Cette recherche ne consiste pas seulement à trouver une nouvelle force ; c'est une sonde pour la physique qui se situe au-delà de notre modèle standard actuel, expliquant potentiellement pourquoi l'univers est composé de matière plutôt que d'antimatière. Pour réussir, les chercheurs doivent étudier ces molécules alors qu'elles sont presque immobiles, en les refroidissant à des températures de quelques degrés seulement au-dessus du zéro absolu afin d'éliminer le bruit thermique qui, autrement, étoufferait le signal.

Une équipe de chercheurs a maintenant franchi une étape décisive vers cet objectif en démontrant une nouvelle façon de créer et d'étudier ces molécules radioactives froides. Travaillant dans un établissement en Belgique, les scientifiques se sont concentrés sur des molécules composées de thorium et d'oxygène, plus précisément des versions contenant des isotopes rares et à courte durée de vie du thorium. Leur défi consistait à prendre une cible de matériau solide, à la transformer en un gaz de molécules, puis à refroidir ce gaz si rapidement que les molécules cesseraient de s'agiter et de tourner frénétiquement, pour se stabiliser dans un état calme et prévisible. Pour y parvenir, ils ont employé une technique impliquant une buse spécialisée, de forme de type de Laval, qui accélère le gaz à des vitesses supersoniques. À mesure que le gaz traverse cette buse et se détend dans le vide, il se refroidit de manière spectaculaire, un peu comme la sensation de froid qu'un jet d'air comprimé procure lorsqu'il frappe votre peau, mais à une échelle où les molécules elles-mêmes perdent presque toute leur chaleur interne.

Les chercheurs ont commencé par créer un flux de molécules d'oxyde de thorium. Ils ont utilisé un laser de haute puissance pour bombarder un minuscule point sur une cible faite de thorium, vaporisant le matériau et envoyant un nuage d'atomes et de molécules chauds dans une chambre remplie de gaz argon. Ce nuage a ensuite été entraîné par un flux constant d'argon vers la buse. À mesure que le mélange passait à travers la buse, l'expansion rapide refroidissait les molécules. L'équipe a ensuite utilisé un second ensemble de lasers pour sonder les molécules, projetant de la lumière à des fréquences spécifiques pour voir comment elles absorbaient l'énergie. En ajustant soigneusement ces lasers et en mesurant les signaux résultants, ils ont pu déterminer la température des molécules de trois manières différentes : la vitesse à laquelle elles se déplaçaient vers l'avant, la vitesse à laquelle elles tournaient et l'intensité de leurs vibrations.

Les résultats étaient frappants. Les molécules ont été refroidies à une température de translation d'environ 12,5 Kelvin, ce qui correspond à environ 12,5 degrés au-dessus du zéro absolu. Plus impressionnant encore, leur mouvement de rotation, ou rotation, a été refroidi à seulement 7,2 Kelvin. Ce froid extrême signifiait que les molécules ne basculaient pas de manière chaotique mais étaient au contraire alignées de façon très ordonnée, permettant aux chercheurs d'observer leurs raies spectrales avec une clarté sans précédent. Bien qu'ils n'aient pas pu mesurer la température exacte des vibrations des molécules, ils ont constaté que les molécules ne vibraient pas dans des états excités, plaçant une limite supérieure à cette température à 250 Kelvin. Ce niveau de refroidissement constitue une amélioration significative par rapport aux méthodes précédentes, qui laissaient souvent les molécules trop chaudes et chaotiques pour être étudiées en détail.

Avec les molécules désormais calmes et froides, l'équipe a pu mesurer comment les niveaux d'énergie des molécules changeaient lorsqu'ils utilisaient différents isotopes de thorium. Ce décalage, connu sous le nom de décalage isotopique, contient des informations sur la taille et la forme du noyau. En comparant leurs mesures aux calculs théoriques, les chercheurs ont découvert que les molécules étaient incroyablement sensibles aux changements du rayon de charge nucléaire. Ils ont déterminé un facteur de décalage de champ nettement plus important que celui observé dans les atomes isolés, confirmant que les molécules peuvent effectivement agir comme de puissants amplificateurs pour ces effets nucléaires. Les données expérimentales concordaient bien avec les simulations informatiques complexes réalisées par l'équipe, qui utilisait la mécanique quantique avancée pour prédire comment les électrons et les noyaux interagiraient. Cet accord entre les mesures du monde réel et les modèles théoriques donne aux scientifiques la confiance que leurs outils fonctionnent correctement et qu'ils sont sur la bonne voie.

Ce travail est plus qu'un simple succès technique ; il ouvre une nouvelle porte pour l'étude des éléments les plus lourds du tableau périodique. La capacité de produire et de refroidir des molécules radioactives comme l'oxyde de thorium signifie que les scientifiques peuvent désormais appliquer ces techniques de précision laser à d'autres isotopes à courte durée de vie qui étaient auparavant trop difficiles à manipuler. Les chercheurs prévoient d'utiliser cette méthode pour étudier des molécules encore plus exotiques, incluant potentiellement celles contenant du nobelium ou du lawrencium, des éléments qui n'existent que pendant des instants avant de se désintégrer. En maîtrisant l'art de refroidir ces molécules éphémères, l'équipe a jeté les bases d'une nouvelle génération d'expériences qui pourraient enfin révéler les subtiles violations de symétrie cachées au plus profond du noyau atomique, nous rapprochant ainsi de la compréhension des règles fondamentales qui régissent notre univers.