Un physicien propose un nouveau protocole expérimental qui permettrait de distinguer des atomes apparemment identiques entre eux. Alors qu’il est généralement admis en physique moderne que les atomes d’un même isotope sont identiques, cette indiscernabilité est de plus en plus remise en question. Le nouveau protocole permettrait ainsi de déterminer si ce principe pourrait être violé ou non.
Le modèle standard de la physique des particules stipule que tous les atomes d’un même isotope et présentant le même état quantique sont considérés comme identiques. Si les atomes peuvent en effet se distinguer par la position des particules qui les composent, ils resteraient identiques d’un point de vue structurel.
Cependant, cette indiscernabilité a récemment été remise en question, certaines théories avançant notamment qu’il pourrait exister des paramètres internes qui rendraient chaque atome de l’Univers unique. Parmi ces paramètres figureraient d’éventuelles variations du moment magnétique nucléaire entre atomes d’un même isotope, se traduisant par des variations de distribution de courant de spin nucléaire (des fluctuations du champ magnétique provoquées par la rotation du noyau).
En effet, d’un point de vue théorique, aucune loi n’impose explicitement que tous les atomes possèdent le même moment magnétique nucléaire. Dans ces conditions, l’indiscernabilité des atomes exigerait des ajustements précis et induits artificiellement de leurs paramètres internes. Pour l’analogie, des atomes discernables seraient comparables à des jumeaux génétiquement identiques qui, à première vue, seraient indiscernables, mais restent tout de même différents après un examen plus approfondi.
Dans son étude publiée récemment dans Physics Letters B, le physicien Mark Raizen, de l’Université du Texas à Austin, propose une série d’expériences qui pourraient potentiellement faire ressortir d’éventuelles différences entre des atomes apparemment identiques. « Nous aimons faire progresser la théorie et l’expérimentation de concert. Cette question n’a jamais été testée expérimentalement auparavant, et c’est ce qui, à mes yeux, la rend intéressante », explique-t-il au Scientific American.
Des horloges atomiques pour traquer d’infimes écarts entre isotopes
Raizen propose de détecter la discernabilité des atomes en étudiant les fluctuations du moment magnétique nucléaire. Pour ce faire, des couples d’isotopes stables aux propriétés très proches seraient confinés dans des systèmes de pièges à ions, afin d’analyser les variations statistiques des paramètres atomiques au fil du temps.
« Le coût très élevé des isotopes enrichis implique généralement un stockage prolongé des ions piégés, et des mesures répétées sur le même ion. Pour tester la discernabilité des atomes, une stratégie différente s’impose : mesurer le plus grand nombre d’ions possible, à raison d’un par jour (dans une seule chambre à vide) », explique le chercheur dans son étude.
Le physicien suggère que toute transition atomique, y compris les variations du moment magnétique nucléaire, peut évoluer au fil du temps soit en raison des paramètres internes du noyau, soit en raison de la distribution de la charge des électrons. « Cette dernière hypothèse pourrait être testée à l’aide d’une horloge atomique double, disposée en échelle [un dispositif comparant deux transitions atomiques selon une configuration hiérarchisée] afin de détecter un éventuel vieillissement extrêmement faible et hypothétique d’une transition électronique », écrit le chercheur.
Afin d’obtenir des mesures atomiques précises, le chercheur propose d’utiliser un laser pour refroidir et piéger les isotopes individuels dans l’horloge atomique. Cette approche permettrait de détecter les fluctuations des niveaux d’énergie des isotopes, notamment en analysant leurs moments magnétiques nucléaires, dont les variations rendraient ainsi les atomes discernables.
Les précédents travaux de Raizen portent d’ailleurs sur une approche permettant de refroidir et de piéger des atomes à l’aide d’horloges atomiques, ainsi que sur des techniques de contrôle de ces atomes piégés. Ces travaux ont permis de développer des méthodes plus efficaces de séparation des isotopes, un élément clé de sa proposition de protocole visant à tester la discernabilité des isotopes. La prochaine étape consistera désormais à appliquer le protocole et à déterminer si les atomes sont réellement discernables ou non.
