Nieuwe ultraprecieze metingen aan heliumatomen

VU-natuurkundigen hebben in het LaserLaB onder leiding van Wim Vassen een ultraprecieze meting gedaan, tot 12 cijfers, op heliumatomen. Dit brengt ze weer verder in het oplossen van het natuurkunderaadsel van de ‘proton radius puzzle’.

30-08-2018 | 13:23

De natuurkundigen publiceerden op 13 augustus in Nature Physics. Eerste auteur is promovendus Bob Rengelink. Hij verdedigt dit najaar zijn proefschrift, waaruit het Nature Physics-artikel is voortgekomen. De VU werkte samen met wetenschappers uit Nieuw-Zeeland en VU-alumnus Remy Notermans van de Amerikaanse Stanford-universiteit. Notermans promoveerde in 2017 cum laude aan de VU op een ander onderzoek met ultrakoude heliumatomen onder leiding van Wim Vassen.

De wetenschappers hebben de meting van de overgangsfrequentie met bijna een factor tien verbeterd tot een relatieve nauwkeurigheid van 10−12, tot nog toe de meest nauwkeurige optische frequentiemeting in het heliumatoom. Hiervoor is heliumgas met lasertechnieken afgekoeld tot minder dan een miljoenste graad boven het absolute nulpunt om het vervolgens op te sluiten in het brandpunt van twee overlapte laserbundels. Wanneer de afstand van de aarde tot de maan met dezelfde nauwkeurigheid zou worden gemeten zou de meetfout overeenkomen met de dikte van de kaft van een boek.

Het heliumatoom speelt een cruciale rol in de moderne natuurkunde. Met zijn twee elektronen leidde de ontrafeling van de structuur van het heliumatoom tot het begrip hoe de theorie van het één-elektron systeem (d.w.z. het waterstofatoom) gegeneraliseerd kon worden naar de rest van het Periodiek Systeem. Spectroscopie (het nauwkeurig meten van de frequenties die overeenkomen met de golflengtes van licht die worden uitgezonden of geabsorbeerd door een object) is de meest nauwkeurige experimentele methode in de atoomfysica. In het geval van het heliumatoom wordt dit licht enkel bij een aantal specifieke frequenties geabsorbeerd welke nauwkeurig voorspeld worden door de kwantumelektrodynamica (QED).

Proton radius puzzle
Hoewel de QED uitzonderlijk succesvol is geweest in de atoomfysica is er in 2010 een probleem ontstaan in de spectroscopie van het waterstofatoom. Onderzoekers pasten QED toe om de frequentieverschuiving van een spectraallijn in waterstof te meten die veroorzaakt wordt door de zeer geringe doch eindige grootte van de atoomkern oftewel het proton. Vanuit de veronderstelling dat QED volledig juist is, kan deze grootte daarmee experimenteel met zeer hoge nauwkeurigheid bepaald kunnen worden.

De metingen werden uitgevoerd in normaal waterstof maar in 2010 ook in een variant daarvan, muonisch waterstof, waarvan het elektron vervangen is door een muon. Het muon is identiek aan het elektron in elk opzicht, behalve dan dat de rustmassa 200 maal groter is. Vanwege deze hogere massa beschrijft het muon een veel kleinere baan rondom de atoomkern wat de frequentieverschuiving door de eindige kerngrootte uitvergroot en daardoor makkelijker te meten maakt. Tegen alle verwachtingen in bleek de grootte van het proton bepaald in muonisch waterstof ongeveer 4% kleiner te zijn dan dezelfde waarde bepaald in normaal waterstof.

Deze vondst staat sindsdien bekend als de ‘protonstraalpuzzel’ (proton radius puzzle) en vormt bewijs, als de meting klopt, van een tot dusver onbekende wisselwerking tussen elementaire deeltjes, wat aangeeft dat het Standaardmodel incompleet is. Wereldwijd zijn er allerlei onderzoeksgroepen de oplossing aan het zoeken voor dit belangrijke hedendaagse vraagstuk in de fundamentele natuurkunde; op de VU bijvoorbeeld ook de onderzoeksgroepen van Wim Ubachs en Kjeld Eikema. Men komt steeds dichter bij de oplossing. “Over tien jaar is de protonstraalpuzzel zeker opgelost, waarschijnlijk al over vijf jaar”, aldus Wim Vassen.

Promovendus Bob Rengelink heeft nu dus aan het oplossen van de puzzel bijgedragen door een zeer nauwkeurige meting in het normale heliumatoom uit te voeren, zodat deze vergeleken kan worden met experimenten in muonisch helium, die recent zijn uitgevoerd. Zo kijken de VU-onderzoekers of er ook een protonstraalpuzzel is te vinden in helium.