Anomalies dans les isotopes du calcium: indice potentiel d'une cinquième force fondamentale

La gravitation, l'une des quatre interactions fondamentales de l'univers, demeure insuffisante pour expliquer l'intégralité des phénomènes physiques, notamment en raison de son incapacité à élucider la nature de la matière noire. Cette lacune du Modèle Standard de la physique motive l'exploration de l'existence potentielle d'une cinquième force de la nature. Une nouvelle étude internationale, publiée en 2025 dans la revue Physical Review Letters, apporte un écho à cette hypothèse en analysant les transitions atomiques au sein des isotopes du calcium.

Les chercheurs se sont concentrés sur le saut des électrons vers des orbitales de plus haute énergie après absorption d'énergie, un phénomène dont la nature précise est dictée par la structure nucléaire, c'est-à-dire la variation du nombre de neutrons. Le Modèle Standard prédit une relation mathématique linéaire pour le décalage de transition entre les cinq isotopes du calcium étudiés – Ca-40, Ca-42, Ca-44, Ca-46 et Ca-48 – lorsqu'ils sont représentés sur un diagramme de King. Ces isotopes possèdent un nombre constant de 20 protons, mais un nombre de neutrons variant de 20 à 28 pour les spécimens analysés.

L'équipe internationale, composée de scientifiques d'Allemagne, de Suisse et d'Australie, a mesuré ces décalages avec une précision inédite, atteignant 100 milliherz, soit une finesse cent fois supérieure aux meilleures mesures antérieures, en piégeant et mesurant simultanément deux isotopes dans un piège à ions. Cependant, les chercheurs ont relevé une légère déviation non linéaire par rapport à la prédiction linéaire attendue du diagramme de King. Bien que cette non-linéarité puisse être attribuée à des effets nucléaires connus non encore intégrés dans les calculs actuels, les physiciens interprètent cette observation comme une première indication en faveur d'une force additionnelle faible agissant spécifiquement entre les électrons et les neutrons.

Cette force hypothétique serait véhiculée par une particule médiatrice, désignée sous le nom de boson de Yukawa. Les résultats de cette étude de 2025 ont permis d'établir la contrainte la plus rigoureuse à ce jour concernant l'intensité potentielle et la masse de cette particule médiatrice, dont les estimations se situent dans une fourchette approximative allant de 10 à 10 millions d'électronvolts (eV/c²). La portée d'une force étant inversement liée à la masse de sa particule médiatrice, cette mesure est significative dans la quête d'une physique au-delà du Modèle Standard.

En début d'année 2026, l'équipe de recherche internationale poursuit ses investigations en mesurant une troisième transition énergétique sur les mêmes isotopes de calcium. L'objectif est de construire une représentation tridimensionnelle du diagramme de King afin de distinguer de manière plus définitive si la non-linéarité provient d'une nouvelle interaction fondamentale ou d'effets conventionnels plus complexes. Parallèlement, d'autres pistes, comme l'analyse des orbites d'astéroïdes ou les anomalies dans les transitions nucléaires du Béryllium-8, continuent d'être explorées pour contraindre l'existence de cette cinquième force.