Vrije Universiteit Amsterdam
PERSBERICHT
Onder embargo tot 7 juli 20:00
8 juli 2011
Ultrakoud heliumgas test grenzen van de natuurkunde
Gezamenlijk persbericht van de Stichting FOM en de Vrije Universiteit Amsterdam
In een wolkje heliumatomen hebben natuurkundigen van de Stichting FOM en het LaserLaB van de Vrije Universiteit Amsterdam met twaalfcijferige precisie de quantumelektrodynamica getest, één van de meest fundamentele theorieën van de natuurkunde die de opbouw van atomen beschrijft. Daartoe hebben ze heliumgas afgekoeld tot een miljoenste graad boven het absolute nulpunt, vervolgens gevangen in het brandpunt van een laserbundel en daar een tweede laserstraal met heel precies bepaalde kleur langdurig op ingestraald. Hun meting is een factor duizend nauwkeuriger dan de theorie momenteel kan voorspellen. Zelfs de afmeting van de kern van het heliumatoom kon worden bepaald. De onderzoekers publiceren hun resultaten vandaag in het toonaangevende tijdschrift Science.
Theorie van het heliumatoom Testen van de basiswetten van de natuurkunde vinden vaak plaats in grote deeltjesversnellers zoals op CERN in Genève, op basis van extreem hoge energieën. Recente ontwikkelingen op het gebied van ultrastabiele lasers en nauwkeurige atoomklokken maken dit soort testen op kleine schaal ook mogelijk vanwege de extreme precisie die hierdoor mogelijk is. De quantumelektrodynamica voorspelt de precieze kleuren van licht die door een heliumatoom geabsorbeerd kunnen worden met ongekende nauwkeurigheid.
Unieke laserapparatuur In het infrarode deel van het heliumspectrum voorspelt de theorie onder andere een extreem zwakke spectraallijn. Deze lijn is honderdduizend miljard keer zwakker dan 'gewone' lijnen in helium en was daarom ook nog nooit waargenomen. Er is veel laserlicht voor nodig dat met zeer nauwkeurig ingestelde kleur seconden lang op de atomen geschenen moet worden. Dit is alleen mogelijk met zeer gespecialiseerde lasers gekoppeld aan een atoomklok. Om langdurige interactie tussen atoom en laserlicht mogelijk te maken moeten de heliumatomen tot stilstand gebracht worden.
Ultrakoud In een gas bij kamertemperatuur kan de voorspelde lijn niet worden waargenomen omdat de atomen dan snel en in alle richtingen bewegen. Heliumatomen werden daarom met behulp van laserkoeling tot een temperatuur van een miljoenste graad boven het absolute nulpunt afgekoeld en vervolgens in het kruispunt van twee sterk gefocusseerde laserbundels gevangen. Daarna schenen de onderzoekers veel licht uit de ultrastabiele laser op de atomen en maten de absorptie zeer nauwkeurig. Ze deden dat voor beide isotopen van helium, helium-3 en helium-4, die zich bij deze temperaturen niet als puntdeeltje maar als golf gedragen. De metingen konden met twaalf cijfers nauwkeurigheid worden uitgevoerd, een factor duizend nauwkeuriger dan de theorie op dit moment kan berekenen maar wel in overeenstemming daarmee. Werk aan de winkel dus voor theoretisch natuurkundigen. Uit het verschil tussen de meting van beide isotopen kon de afmeting van de kern van het helium-3 atoom, dat één neutron minder heeft dan helium-4 (het -deeltje), met 4 attometer (1 attometer is één miljardste van één miljardste meter) nauwkeurigheid worden bepaald. Nauwkeuriger dan mogelijk was met deeltjesversnellers.