Quand des ions piégés défient les lois connues de la physique ET M7NE 0 L’hypothèse d’une cinquième force dans l’univers.
Et si notre compréhension de l’univers n’était pas tout à fait complète ? Depuis le lycée, on apprend qu’il existe quatre forces fondamentales : la gravité, l’électromagnétisme, la force nucléaire forte et la force nucléaire faible. C’est le socle du Modèle Standard. Un modèle très efficace, certes, mais qui laisse encore dans l’ombre de grandes questions. À commencer par la matière noire.
À l’École polytechnique fédérale de Zurich, des chercheurs ont lancé une expérience à la précision presque chirurgicale. Leur but ? Traquer une cinquième force de la nature. Une force hypothétique qui pourrait se cacher dans les interactions entre les électrons et les neutrons, et peut-être nous ouvrir la porte d’un pan totalement inconnu de la physique.
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Un soupçon de déséquilibre dans l’univers mène à l’hypothèse d’une 5e force de l’Univers
La matière noire, on ne la voit pas. Pourtant, son existence est attestée par son influence gravitationnelle sur les galaxies. Elle représenterait environ 85 % de la matière totale de l’univers. Et pourtant, elle ne figure nulle part dans le Modèle Standard.
Pour résoudre cette incohérence, certains physiciens supposent l’existence d’une nouvelle interaction, transmise par une particule encore non observée. Cette fameuse “cinquième force” serait responsable de micro-déséquilibres dans les atomes. Des écarts si minimes qu’ils échappaient jusqu’ici à la détection.
La chasse à l’atome près
Pas besoin de collisionneurs géants comme au CERN pour aller traquer cette force hypothétique. L’équipe zurichoise, menée par la professeure Diana Prado Lopes Aude Craik, adopte une autre stratégie : la spectroscopie atomique de haute précision.
Le principe : observer des isotopes d’un même élément – le calcium – qui partagent le même nombre de protons, mais possèdent un nombre différent de neutrons. Si une force inconnue agit entre électrons et neutrons, alors les niveaux d’énergie des électrons devraient varier, même légèrement, d’un isotope à l’autre.
Pour détecter ces infimes différences, les chercheurs mesurent la fréquence exacte de la lumière émise lors de transitions électroniques. Une variation d’à peine 100 millihertz peut suffire à faire pencher la balance.
Piéger l’invisible
Comment immobiliser un atome pour l’étudier à la loupe ? Grâce à un piège à ions. Un dispositif qui utilise des champs électromagnétiques pour maintenir un atome chargé en suspension dans le vide.
Dans leur expérience, les scientifiques suisses ont utilisé cinq isotopes stables du calcium, chacun chargé positivement. Tous comptaient 20 protons, mais leur nombre de neutrons variait de 20 à 28.
Le piège à ions permettait de maintenir deux isotopes côte à côte, sous le même faisceau laser, dans des conditions strictement identiques. Résultat : une précision 100 fois supérieure aux précédentes tentatives. Un exploit expérimental.
Et en Allemagne, on s’active aussi
Pendant que Zurich s’attaque au problème par la spectroscopie, une autre équipe allemande a réalisé des mesures complémentaires sur des ions hautement chargés, cette fois avec plus d’électrons arrachés.
En parallèle, un troisième groupe a déterminé avec exactitude la masse relative des noyaux des différents isotopes étudiés.
Ces approches croisées permettent de s’assurer que les anomalies observées ne proviennent pas de simples imprécisions dans les calculs ou dans les modèles nucléaires existants.
Résultats : promesse ou mirage ?
Les mesures suisses ont révélé des écarts légèrement plus importants que prévu entre les isotopes. Est-ce là le signe de la cinquième force tant attendue ? Prudence.
L’explication pourrait aussi venir d’un phénomène appelé polarisation nucléaire, une sorte de petite déformation du noyau provoquée par la présence des électrons. Un effet encore mal compris, mais bien réel.
Malgré cette incertitude, l’expérience permet tout de même de restreindre fortement le champ des propriétés possibles de la particule hypothétique qui transmettrait cette cinquième force : masse, charge, rayon d’action… Grâce à leur précision, les chercheurs peuvent affirmer : “Si elle existait au-delà de certains seuils, on l’aurait déjà vue.”
Et maintenant ?
L’équipe zurichoise ne s’arrête pas là. Elle prévoit d’affiner encore ses mesures et d’étendre l’analyse à un modèle tridimensionnel, capable de mieux rendre compte des effets théoriques complexes.
L’objectif à terme : lever toute ambiguïté entre polarisation nucléaire et cinquième force.
Il reste encore un long chemin avant de pouvoir affirmer l’existence d’une nouvelle interaction fondamentale. Mais une chose est sûre : notre compréhension de l’univers est loin d’être complète. Et chaque ion piégé, chaque photon mesuré, nous rapproche un peu plus d’une vérité peut-être plus vaste que celle que le Modèle Standard nous a enseignée.
Source :
Nonlinear Calcium King Plot Constrains New Bosons and Nuclear Properties
Wilzewski A, Huber L, Door M, Richter J, Mariotti A et al
Phys. Rev. Lett. 134, 233002 – Published 10 June, 2025
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.233002
