Een laser als weegschaal voor elementaire deeltjes


Meer informatie
Contactperso(o)n(en): Anita van Stel
Weblocatie: http://www.fom.nl/live/nieuws/archief_persberichten/persberichten2016/artikel.pag?objectnumber=321098
printerversie
27 januari 2016, 2016/01

Een laser als weegschaal voor elementaire deeltjes

Onderzoekers van de Vrije Universiteit Amsterdam en de Stichting FOM zijn er in samenwerking met Franse collega's in geslaagd de massa's van het elektron en het proton zeer nauwkeurig met elkaar te vergelijken. Bijzonder hieraan is dat de massavergelijking met behulp van lasers is gedaan. Deze
methode werd veertig jaar geleden al door wetenschappers geopperd, maar kon pas nu worden gerealiseerd dankzij een combinatie van geavanceerde experimentele technieken - naast lasers ook waterstofionen - en theorie. Het resultaat van de massavergelijking, door Jurriaan Biesheuvel en collega's
uitgevoerd met een nauwkeurigheid van drie miljardste, verscheen op 27 januari 2016 in het gezaghebbende tijdschrift Nature Communications.
Ionenval en vibrerend moleculair waterstofion
vergroten Ionenval en vibrerend moleculair waterstofion
Boven: Afbeelding van de ionenval waarin vibrerende moleculaire waterstofionen worden opgesloten en met lasers afgekoeld tot vlak boven het absolute nulpunt. De diameter van het ronde venster is 65 millimeter. Onder: Schematische weergave van het moleculaire waterstofion (niet op schaal). Het
negatief geladen elektron fungeert als een veer die beide positief geladen protonen met elkaar verbindt. Een laser (niet afgebeeld) kan het molecuul laten trillen en uit de gemeten trillingsfrequentie kunnen de massa's van het elektron en het proton worden bepaald.
Precisiemetingen met lasers aan superkoude moleculen
De onderzoekers 'wogen' de elementaire deeltjes door het 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 (figuur 1). De massa van
de deeltjes bepaalt de trillingsfrequentie.

De moleculen kunnen in trilling worden gebracht met een laser met de juiste kleur. Uit de kleur van de laser konden de onderzoekers de trillingsfrequentie heel precies afleiden. 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 de moleculen door middel van een tweede laser werden afgekoeld tot -272.14 DEGC, slechts eenhonderdste graad boven het absolute nulpunt.

Voor de laatste stap in het weegproces werd geavanceerde theorie toegepast, Quantum-Electrodynamica, waarmee de onderzoekers de gemeten trillingsfrequenties van het molecuul precies konden 'vertalen' naar de massa's van het elektron en het proton.

Verborgen natuurkrachten en hogere dimensies
De hoge nauwkeurigheid van de gebruikte 'optische weegschaal' maakt het instrument ook gevoelig voor nog niet ontdekte, mysterieuze 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 Amsterdam 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 zijn. Volgens dr. 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 nauwkeurigste massabepalingen van protonen en elektronen van dit moment."

Het onderzoek in Amsterdam is gefinancierd door de Stichting FOM, de Stichting STW, de Europese COST Action Ion traps for tomorrow's applications, en het Nederlands-Franse Van Gogh Programma.

Referentie
Probing QED and fundamental constants through laser spectroscopy of vibrational transitions in HD^+. J. Biesheuvel, J.-Ph. Karr, L. Hilico, K.S.E. Eikema, W. Ubachs, and J.C.J. Koelemeij, Nature Communications, 2016. DOI: 10.1038/ncomms10385

Informatie
Jeroen Koelemeij, (020) 598 78 92.