VU meet heliumkern nauwkeuriger

Henk Klomp

‘Ik zal hem voor je aanzetten, maar je zult onze laserstraal niet zien. Die is immers in het infrarood.’

De Canadese postdoc Joe Borbely zet een knop om. Zachtjes begint het bouwwerk van lasers, spiegels, lenzen, tellers, detectoren en vacuümpompen te zoemen. Borbely demonstreert in het laserlab van de Vrije Universiteit de opstelling die de zogeheten fijnstructuur­con­stante, een fundamentele natuurconstante die de grootte van de elektromagnetische krachten bepaalt, nog preciezer moet gaan bepalen dan de waarde die hij nu heeft. De meetopstelling in het Laserlab is in grootte niet te vergelijken met reuzenlaboratoria zoals die van CERN, waar normaliter fundamentele natuurconstanten getest worden. Maar omvang zegt niet alles: ‘In onze opstelling hebben we de eerste zogeheten singlet-heliumatomen gemaakt. Dat zijn atomen waarin het elektron een aanzienlijk deel van de tijd niet rond de atoomkern beweegt, maar erin zit.’

Die singlet-heliumatomen willen de VU-onderzoekers nu gaan gebruiken om de fijnstructuurconstante nog nauwkeuriger te bepalen. De huidige bepaling is gebaseerd op de spectraallijnen van waterstof, de zogeheten Lambverschuiving. ‘Het bepalen van het exacte energieniveau van het singlet levert een nog veel nauwkeuriger test op van de fijnstructuurconstante. Dit komt doordat de elektrische kracht tussen een elektron en proton het hoogst is als ze heel dicht op elkaar zitten.’

Het is echter uitzonderlijk moeilijk heliumatomen in de singlettoestand te krijgen, een toestand die honderd biljoen keer zo zeldzaam is als die van een normale aangeslagen toestand. De natuurkundigen slaagden er toch in dit te bereiken door helium eerst te bombarderen met relativistische elektronen (elektronen die dicht tegen de lichtsnelheid aan zitten). In de tweede stap beschenen ze die heliumatomen met infrarood laserlicht. ‘We kennen weliswaar de precieze frequentie van de infraroodstraling, maar weten niet met dezelfde precisie hoeveel energie de elektronen hebben. Voor de bepaling van de fijnstructuurconstante moet je het energieverschil kennen tussen singlethelium en helium in de grondtoestand.’

De natuurkundigen maakten echter zowel singletatomen van helium-3 als van helium-4. ‘Van beide isotopen bepaalden we tot op twaalf cijfers nauwkeurig de frequentie van het infrarood licht. Als je die twee waarden kent, kun je de kwantumelektodynamica ook nauwkeurig testen.’ De frequentiemetingen leidden al tot een nieuw wereldrecord, waarmee de onderzoekers het wetenschappelijke tijdschrift Science haalden: een honderd keer nauwkeuriger bepaling van de grootte van de heliumkern dan tot nu toe kon.

De natuurkundigen gaan nu proberen een Bose-Einstein-condensaat – een materievorm waarin alle atomen zich hetzelfde gedragen en die optreedt dichtbij het absolute nulpunt – te maken van singletheliumatomen. ‘Daarin zitten miljoenen atomen tegelijk in de singlettoestand. Dan tref je dus relatief vaak een elektron in de kern aan. En we kennen nu precies de route om zo’n Bose-Einstein-condensaat te maken.’

De laatste jaren ontwikkelde Kjeld Eikema van het Laserlab nauwkeurige oscillatoren waarmee je tot ver achter de komma frequenties kunt bepalen. Hij gebruikt zogeheten frequentiekammen, pulsjes laserlicht met talrijke kleuren die precies evenveel hertz in het spectrum uit elkaar liggen, vergelijkbaar met de centimeterstreepjes op een meetlat. De frequentiemetingen berusten op vergelijkingen met de kleuren uit het spectrum. ‘Daarbij zijn de oscillatoren wel uren stabiel, tijd die je goed kunt gebruiken om de atomen in het Bose-Einstein-condensaat in de singlettoestand te brengen. Met de frequentiekammen moet het binnenkort mogelijk zijn om het energieniveau van helium in de singlettoestand te meten. Dat wordt dan de ultieme test van de kwantumelektrodynamica.’

De kwantumelektrodynamica (QED) geldt als een zeer succesvolle natuurkundige theorie die het elektromagnetisme integreert met de kwantummechanica. Uit de QED volgen verschillende belangrijke waardes in de natuurkunde, zoals eerdergenoemde Lambverschuivingen van waterstof. De VU-onderzoekers kunnen de door de QED theoretisch voorspelde waarde straks dus gaan vergelijken met een nog nauwkeuriger meetwaarde.

De bereikte accuratesse zal in de toekomst kunnen leiden tot nog veel nauwkeurige klokken dan de huidige atoomklok. Ook is het in een Bose-Einstein-condensaat mogelijk zeer precies de fysica van de chemische binding tussen atomen te gaan meten.

Lees ook

Nieuws brief
* indicates required