Une équipe internationale d'expérimentateurs et de théoriciens travaillant auprès de l'installation de physique nucléaire du CERN, ISOLDE, a réussi à effectuer les premières mesures par spectroscopie laser jamais réalisées d'une molécule radioactive à durée de vie courte, le monofluorure de radium. La spectroscopie laser, qui consiste à exposer des molécules à une lumière laser pour révéler leur structure d'énergie, est un outil d'analyse standard de l'étude des molécules en physique. Jusqu'à présent, cependant, il n'était pas possible d'utiliser cette technique pour étudier les molécules radioactives à vie courte, contenant un ou plusieurs noyaux instables. L'étude de ce type de molécules, plutôt que d'atomes, est un bon moyen d'explorer les symétries fondamentales de la nature et de chercher de nouveaux phénomènes de physique. Les résultats publiés aujourd'hui dans la revue Nature constituent une avancée décisive dans l'utilisation de ces molécules pour la recherche en physique fondamentale et dans d'autres domaines.

« Nos mesures montrent qu'il est possible de refroidir des molécules de monofluorure de radium à des températures qui permettront de les étudier de façon extrêmement détaillée, explique Ronald Garcia Ruiz, responsable scientifique de l'étude. Ces résultats ouvrent la voie à des études de précision de molécules radioactives à vie courte, qui constituent un terrain nouveau et exceptionnel pour la recherche en physique fondamentale et dans d'autres disciplines. »

Les molécules de monofluorure de radium sont particulièrement intéressantes parce qu'elles contiennent du radium, dont certains isotopes ont des noyaux en forme de poire, avec plus de masse d'un côté que de l'autre. Cette forme spécifique amplifie des processus qui brisent les symétries fondamentales de la nature et cela pourrait révéler de nouveaux phénomènes de physique au-delà du Modèle standard.

Ainsi, les processus qui brisent la symétrie de renversement du temps, autrement dit, qui varient si l'on inverse la flèche du temps, donneraient aux particules un moment dipolaire électrique. On pourrait décrire ce phénomène comme un déplacement du nuage de particules virtuelles entourant chaque particule élémentaire, qui s'éloignerait du centre de masse. Le Modèle standard de la physique des particules prédit un moment dipolaire électrique non nul, mais de valeur très faible. Toutefois, certaines théories au-delà du Modèle standard prédisent des valeurs plus élevées. Les formes en poire des noyaux amplifieraient un éventuel moment dipolaire électrique, et joueraient donc le rôle de capteurs permettant d'explorer des phénomènes au-delà du Modèle standard ; cette recherche serait complémentaire des études sur la nouvelle physique menées auprès de collisionneurs de particules à hautes énergies, tels que le LHC.

L'expérience s'appuie sur des recherches théoriques relatives à la structure d'énergie du monofluorure de radium. Ces études ont prédit que la molécule pouvait subir un refroidissement par laser – il s'agit d'un processus dans lequel on utilise des lasers pour refroidir des atomes ou des molécules pour des études de précision. « Cette étude par spectroscopie laser du monofluorure de radium à ISOLDE montre de façon probante que les molécules peuvent effectivement subir un refroidissement laser », explique la porte-parole d'ISOLDE Gerda Neyens.

Pour arriver à ces résultats, R. Garcia Ruiz et ses collègues ont utilisé la méthode suivante : pour produire des isotopes radioactifs du radium, des protons issus du Booster du PS du CERN ont été projetés sur une cible de carbure d'uranium ; la cible était entourée de tétrafluorure de carbone gazeux afin que se forment des ions de monofluorure de radium. Les ions de monofluorure de radium ont alors été envoyés dans le dispositif de spectroscopie colinéaire par ionisation résonante (Collinear Resonance Ionisation Spectroscopy - CRIS) d'ISOLDE, où les ions ont été transformés en molécules neutres, lesquelles ont ensuite été exposées à un rayon laser qui les a portées à des niveaux d'énergie plus élevés à des fréquences laser spécifiques. Un sous-ensemble de ces molécules excitées a alors été ionisé au moyen d'un deuxième rayon laser, puis dévié sur un détecteur de particules pour analyse.

En analysant les spectres mesurés des molécules ionisées excitées, l'équipe a pu identifier les niveaux d'énergie les plus bas des molécules, et déterminer certaines des propriétés qui font que les molécules peuvent être refroidies par laser pour de futures études de précision.

« Notre technique permet l'étude de molécules de monofluorure de radium ayant des durées de vie très courtes (quelques jours) qui sont produites avec un débit inférieur à un million de molécules par seconde », explique R. Garcia Ruiz.

En dehors de leur potentiel pour l'exploration des symétries fondamentales, ces molécules faites d'isotopes à durée de vie courte sont très abondantes dans l'espace, par exemple dans les résidus de supernovas, ou dans les gaz provenant des fusions d'étoiles à neutrons.

« Nous pensons que cette méthode peut aussi être employée pour effectuer une spectroscopie laser sur d'autres molécules, y compris des molécules contenant des isotopes ayant des durées de vie de quelques dixièmes de millisecondes », ajoute R. Garcia Ruiz. Cela ouvre la voie à de futures études portant sur des molécules sur mesure, conçues pour amplifier les propriétés de violation de symétries.