Deeltjes vertragen levert nieuwe natuurkunde
Deeltjesversnellers lijken dé manier om nieuwe fundamentele kennis over de natuur aan het licht te brengen. Maar dat kan ook een stuk goedkoper en kleinschaliger, laten Groningse en Amsterdamse fysici zien in hun labs – waar ze deeltjes niet versnellen, maar vertragen.
Hoe kom je tot nieuwe inzichten in de deeltjesfysica? Bouw een deeltjesversneller! De large hadron collider (LHC) van het Europese deeltjesinstituut CERN bijvoorbeeld: een cirkelvormige tunnel onder de Zwitsers-Franse grens met een omtrek van 27 kilometer. Daarin worden protonen opgezweept tot bijna de lichtsnelheid, waarna ze frontaal op elkaar knallen. Bij zo’n botsing ontstaan dan allemaal andere deeltjes. En, zo hopen deeltjesfysici: misschien zitten daar dan onbekende exemplaren tussen. Of misschien blijken overbekende deeltjes zich net even anders te gedragen.
Higgsdeeltje
Probleem is alleen dat de LHC dit soort ontdekkingen niet heeft opgeleverd. Ja, in 2012 kon de vlag uit omdat twee experimenten (ATLAS en CMS) gekoppeld aan de versneller, bewijs hadden opgeleverd voor het higgsdeeltje. Maar dat maakte al decennialang deel uit van het standaardmodel van de deeltjesfysica: het quantummechanische raamwerk dat de wereld van het allerkleinste beschrijft (zie illustratie). Mooi dat dit ontbrekende deeltje eindelijk werd gevonden, maar tot radicaal nieuwe inzichten leidde de ontdekking niet.
Wat nu? Een nog grotere, nog duurdere versneller bouwen dan maar? Die plannen zijn er zeker, maar het duurt wel een paar decennia voordat zo’n machine er daadwerkelijk staat. Gelukkig zijn er andere experimenten mogelijk waarmee we het standaardmodel in de tussentijd op de pijnbank kunnen leggen.
Labtafelexperimenten
Experimenten waarbij deeltjes, paradoxaal genoeg, niet worden versneld, maar vertraagd. Die geen miljarden, maar miljoenen kosten. En die passen op een tafel in het lab. ‘Oké, die tafel kan wel vrij royaal zijn’, lacht adjunct-hoogleraar atoom- en molecuulfysica Steven Hoekstra, die zich aan de Rijksuniversiteit Groningen samen met deeltjesinstituut Nikhef bezighoudt met dit soort experimenten. ‘Die van ons is bijvoorbeeld acht meter lang. Maar je hebt er geen aparte faciliteit zoals CERN voor nodig.’
Toegegeven, met zo’n tabletop-experiment kan lang niet alles wat een deeltjesversneller als de LHC kan. Toch zouden er antwoorden mee in beeld kunnen komen op enorme vragen waarmee fysici worstelen. Zoals: zijn er natuurkrachten waar we nog geen weet van hebben? (zie kader: De vijfde kracht) Hebben natuurconstanten wel altijd en overal dezelfde waarde? En hoe kan het eigenlijk dat ons heelal niet leeg is?
Springende elektronen
Waar de teams achter de LHC-experimenten uit letterlijk duizenden onderzoekers bestaan, zijn bij het type experimenten waar Hoekstra en anderen aan werken tien tot vijftien personen betrokken. Die kunnen dan ook individueel een behoorlijke bijdrage leveren, zo blijkt in het lab aan de Vrije Universiteit Amsterdam (VU) waar promovendus natuurkunde Maarten Mooij werkt. ‘Toen ik hier begon, was deze ruimte nog leeg’, vertelt hij. In de vier jaar die daarop volgden, bouwde hij stukje bij beetje een apparaat op dat een straal bariumfluoridemoleculen produceert en uitzendt – een cruciaal onderdeel van de opstelling van Hoekstra in Groningen.
Hoekstra heeft die bariumfluoridestraal nodig voor precisiemetingen aan atomen of moleculen. Die bestaan uit een positief geladen kern omgeven door negatief geladen elektronen die – zo schrijft de quantummechanica voor – niet zomaar elke denkbare energie kunnen hebben. Er is een beperkt aantal ‘banen’ mogelijk, energieniveaus, waartussen elektronen op en neer kunnen springen. ‘Die overgangen weerspiegelen de interne structuur van een molecuul’, legt Hoekstra uit. ‘En die vloeit voort uit de fundamentele deeltjes waaruit het molecuul is opgebouwd en de interacties die ze met elkaar hebben.’
Bij dit soort experimenten draait het om het zo precies mogelijk bepalen van het verschil in energie tussen twee niveaus. In de basis kan dat met een laser. Die zendt fotonen – lichtdeeltjes – uit met een bepaalde energie (en, wat op hetzelfde neerkomt: met een bepaalde frequentie). Een molecuul kan zo’n foton dan absorberen en de opgenomen energie gebruiken om het elektron naar een hoger energieniveau te brengen. Tenminste: als de energie van dat foton precies overeenkomt met het energieverschil tussen beide niveaus. Draagt het foton meer of minder energie met zich mee, dan kan het molecuul er niets mee en blijft het elektron zitten waar het zit. De vraag wordt daarmee: bij welke fotonenfrequentie maakt een elektron een sprongetje?
Tekst: Jean-Paul Keulen
Openingsbeeld: pixabay
MEER LEZEN OVER DEELTJESVERTRAGERS?
Het hele verhaal is te lezen in het maartnummer van De Ingenieur. Koop de digitale versie voor € 7,50, of neem - met een flinke korting van 25% - een digitaal jaarabonnement van twaalf nummers voor € 69,-.
