1 miljoenste boven nul

Nieuws | de redactie

11 juli 2011 | In een wolkje heliumatomen hebben VU/FOM-natuurkundigen de theorie van de opbouw van atomen getest. Door dat gas tot een miljoenste graad boven het absolute nulpunt af te koelen, in het brandpunt van een laserbundel te vangen en in te stralen. En dat is ze gelukt, tot een factor duizend nauwkeuriger dan ooit.

De mensen van de Stichting FOM en het LaserLaB van de VU hebbenzo met twaalfcijferige precisie de quantumelektrodynamica getest,één van de meest fundamentele theorieën van de natuurkunde die deopbouw van atomen beschrijft. Zelfs de afmeting van de kern van hetheliumatoom kon worden bepaald.

Theorie van het heliumatoom

Testen van de basiswetten van de natuurkunde vinden vaak plaatsin grote deeltjesversnellers zoals op CERN in Genève, op basis vanextreem hoge energieën. Recente ontwikkelingen op het gebied vanultrastabiele lasers en nauwkeurige atoomklokken maken dit soorttesten op kleine schaal ook mogelijk vanwege de extreme precisiedie hierdoor mogelijk is. De quantumelektrodynamica voorspelt deprecieze kleuren van licht die door een heliumatoom geabsorbeerdkunnen worden met ongekende nauwkeurigheid.

In het infrarode deel van het heliumspectrum voorspelt detheorie onder andere een extreem zwakke spectraallijn. Deze lijn ishonderdduizend miljard keer zwakker dan ‘gewone’ lijnen in heliumen was daarom ook nog nooit waargenomen. Er is veel laserlicht voornodig dat met zeer nauwkeurig ingestelde kleur seconden lang op deatomen geschenen moet worden. Dit is alleen mogelijk met zeergespecialiseerde lasers gekoppeld aan een atoomklok. Om langdurigeinteractie tussen atoom en laserlicht mogelijk te maken moeten deheliumatomen tot stilstand gebracht worden.

Ultrakoud huiswerk

In een gas bij kamertemperatuur kan de voorspelde lijn nietworden waargenomen omdat de atomen dan snel en in alle richtingenbewegen. Heliumatomen werden daarom met behulp van laserkoeling toteen temperatuur van een miljoenste graad boven het absolute nulpuntafgekoeld en vervolgens in het kruispunt van twee sterkgefocusseerde laserbundels gevangen. Daarna schenen de onderzoekersveel licht uit de ultrastabiele laser op de atomen en maten deabsorptie zeer nauwkeurig. Ze deden dat voor beide isotopen vanhelium, helium-3 en helium-4, die zich bij deze temperaturen nietals puntdeeltje maar als golf gedragen.

Deze metingen konden ze met twaalf cijfers nauwkeurigheiduitvoeren. Dat is niet minder dan een factor duizend nauwkeurigerdan de theorie op dit moment kan berekenen, maar wel inovereenstemming daarmee. Uit het verschil tussen de meting vanbeide isotopen kon de afmeting van de kern van het helium-3 atoom,dat één neutron minder heeft dan helium-4 (het a-deeltje), met 4attometer (1 attometer is één miljardste van één miljardste meter)nauwkeurigheid worden bepaald.

Dat is een meting die nauwkeuriger is dan mogelijk metdeeltjesversnellers. Het huiswerk voor de theoretischenatuurkundigen is hiermee weer voor jaren aangerijkt enaangereikt.