Découverte au cœur de l’atome : des physiciens sur la trace d’une cinquième force

Dans la nature, il existe quatre grands types de force, les interactions fondamentales : l’électromagnétisme, la gravité, la force nucléaire forte et la force nucléaire faible. Nous l’apprenons presque aussi tôt dans notre parcours scolaire que nous apprenons qu’il existe trois états de la matière. Et puis, notre curiosité nous amène parfois à découvrir qu’il existe plus de trois états de la matière. Ne serait-ce que, au-delà des liquides, des solides et des gaz, les plasmas. En est-il de même concernant les forces qui régissent le monde ?

Les physiciens, en tout cas, soupçonnent qu’il manque quelque chose à la description établie par le modèle standard. Quelque chose qui pourrait les aider, par exemple, à lever le mystère de la matière noire. Et pourquoi pas, une cinquième force ? C’est l’idée sur laquelle une équipe internationale a travaillé. Dans les Physical Revue Letters, les physiciens détaillent comment ils sont partis en quête d’indices au cœur même de noyaux atomiques.

Une force cachée au cœur des atomes

Pour comprendre, il est sans doute utile de rappeler ici, que dans les atomes, les électrons chargés négativement, attirés qu’ils sont par les charges positives, sont généralement plutôt concentrés sur des orbitales proches du noyau. Mais il arrive qu’ils soient propulsés plus loin. Lorsqu’on leur fournit un peu d’énergie. Rapidement, toutefois, ils reviennent à leur état initial. En émettant cette fois de l’énergie. Les physiciens parlent alors de transition atomique.

Les circonstances de ces transitions dépendent de la structure du noyau. Car elle influe sur sa distribution de masse et de charge. Un élément peut ainsi connaître des transitions atomiques différentes, en fonction du nombre de neutrons que contient son noyau. Le modèle standard définit en principe tout cela parfaitement bien. C’est pourquoi trouver des exemples qui s’écarteraient légèrement de ses prévisions pourrait signaler la présence d’une faible force additionnelle qui agirait entre les électrons et les neutrons.

Ainsi, les physiciens ont-ils mesuré des transitions atomiques sur cinq isotopes du calcium. Comprenez des atomes de calcium qui présentent le même nombre d’électrons et de protons, mais un nombre différent de neutrons. Le calcium le plus courant, le calcium 40, par exemple, contient 20 neutrons. Le calcium 46 en contient 26.

Le modèle standard en sursis ?

Selon le modèle standard, le décalage de transition entre les isotopes ⁴²Ca, ⁴⁴Ca, ⁴⁶Ca et ⁴⁸Ca et le calcium 40 devrait suivre une relation linéaire. Mais les chercheurs ont noté un léger écart. Un écart qui pourrait finalement ne correspondre à rien d’autre qu'à des effets connus qui n’ont pas été pris en compte dans les calculs. Ça peut arriver. C’est d’ailleurs ainsi qu’a été récemment résolu le mystère de supposées anomalies observées dans le moment magnétique du muon.

De possibles signes d'une cinquième force avec des muons au Fermilab ?

Les physiciens estiment cependant détenir là le premier indice de l’existence d’une cinquième force. Une force qui resterait très faible. Elle serait portée par un boson que les chercheurs appellent particule de Yukawa. Selon eux, cette particule pourrait être plus légère qu’un neutrino ou bien plus lourde d’un quark top. L’intervalle semble immense. Mais les physiciens ont désormais posé une limite supérieure à l’intensité de la force qu’elle peut générer. De quoi aboutir à la contrainte la plus stricte que des chercheurs aient pu établir à ce jour sur cette particule encore hypothétique. Donnant ainsi une idée un peu plus précise au moins de ce qu’ils peuvent continuer à chercher.