ENGINEERINGNET.NL - Dit deden zij met lasers; een methode die veertig jaar geleden al door wetenschappers werd geopperd en die zij nu voor het eerst hebben gerealiseerd. Het resultaat van dit nieuw type massavergelijking verscheen deze week in Nature Communications.
Een combinatie van geavanceerde experimentele technieken en theorie stelden de onderzoekers in staat precisiemetingen van elementaire deeltjes uit te voeren met behulp van lasers. Behalve van lasers maakt de weegschaal voor elementaire deeltjes gebruik van een klein aantal moleculaire waterstofionen.
Deze moleculen bestaan ieder uit twee protonen en een elektron, waarbij het elektron fungeert als een ‘springveer’ die de twee protonen met elkaar verbindt. Een laser kan het molecuul laten trillen en uit de gemeten trillingsfrequentie kunnen de massa’s van het elektron en het proton worden bepaald.
De onderzoekers maakten hierbij gebruik van het feit dat de moleculen in trilling kunnen worden gebracht door een laser van de juiste kleur. Uit de kleur van de laser kon vervolgens de trillingsfrequentie heel precies worden bepaald.
Om te voorkomen dat de temperatuur van de moleculen deze meting zou verstoren hielden de onderzoekers de moleculen met elektrische velden op hun plaats, terwijl ze de moleculen door middel van een tweede laser afkoelden tot -272.14 °C, slechts een honderdste graad boven het absolute nulpunt.
Voor de laatste stap in het weegproces werd gebruik gemaakt van geavanceerde theorie, de zogeheten Quantum-Electrodynamica. Met deze theorie kunnen de gemeten trillingsfrequenties van het molecuul precies worden ‘vertaald’ naar de massa’s van het elektron en het proton.
De hoge nauwkeurigheid van de ‘optische weegschaal’ maakt het instrument gevoelig voor exotische verschijnselen, zoals een mogelijke verborgen vijfde natuurkracht, en ‘opgerolde’ hogere dimensies.
De effecten hiervan zouden zich alleen op de zeer kleine schaal van atomen en moleculen kunnen manifesteren en zouden, als ze bestaan, resulteren in een afwijking in de gemeten massa’s van het proton en het elektron.
De resultaten uit dit onderzoek zijn echter in exacte overeenstemming met massabepalingen die eerder met andere technieken zijn uitgevoerd, en waarvan de nauwkeurigheid nog altijd twee tot dertig keer hoger ligt.
Een belangrijke conclusie van de onderzoekers is dan ook dat effecten van een vijfde natuurkracht of hogere dimensies minimaal een miljard keer kleiner zijn dan de normale elektromagnetische krachten tussen elektronen en protonen.
Momenteel bereiden de Nederlandse en Franse groepen een vervolgexperiment voor dat vijftig keer nauwkeuriger moet worden. Volgens Jeroen Koelemeij, projectleider op de Vrije Universiteit, wordt met spanning uitgekeken naar de resultaten daarvan: “De verbeterde metingen zullen niet alleen veel gevoeliger zijn voor mogelijke nog onontdekte natuurkundige verschijnselen, maar ze zullen ook als een belangrijke second opinion dienen voor de totaal andere technieken die zijn gebruikt voor de meest nauwkeurige massabepalingen van protonen en elektronen van dit moment.”
Het onderzoek is gefinancierd door Stichting FOM, Stichting STW, de Europese COST Action Ion traps for tomorrow’s applications en het Nederlands-Franse Van Gogh Programma.
