Ultrakoud heliumgas test grenzen van de natuurkunde


Science, 8 Juli 2011, 196-198



see also summary of research in the 'Cold Atoms and Quantum Gases' group at VU University Amsterdam

(Deze webpagina is een aangepaste versie van een persbericht, uitgebracht door de stichting FOM en de Vrije Universiteit)

Onderzoek van de Atoomfysicagroep aan de VU


In een wolkje heliumatomen hebben natuurkundigen van de Stichting FOM en het LaserLaB van de Vrije Universiteit Amsterdam met twaalfcijferige precisie de quantumelektrodynamica getest, 1 van de meest fundamentele theorieen 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 op 8 juli 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 Geneve, op basis van extreem hoge energieen. 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 1 neutron minder heeft dan helium-4 (het alpha-deeltje), met 4 attometer (1 attometer is 1 miljardste van 1 miljardste meter) nauwkeurigheid worden bepaald. Nauwkeuriger dan mogelijk was met deeltjesversnellers. Schematisch ziet de opstelling eruit zoals in onderstaande figuur.


Technische details van het experiment staan hier (in engels). In onderstaand plaatje staat een voorbeeld van een meting van het aantal helium-4 atomen als daar licht op gestraald wordt waarvan de kleur wordt gevarieerd. Langs de horizontale as van de grafiek staat de frequentie (kleur) en langs de vertikale as hoeveel atomen er opgesloten blijven na wisselwerking met het licht, dit alles genormeerd op 100 %. Duidelijk te zien is dat tot 50% van de helium-4 atomen uit de val worden geschoten door de laser als de frequentie f past bij de smalle spectraallijn (de quantumelectrodynamica voorspelt een breedte van 8 Hz) van het heliumatoom.


Nauwkeurigere experimenten mogelijk

Dit experiment laat zien dat in ultrakoud helium een extreem zwakke spectraallijn kan worden gemeten met zeer hoge nauwkeurigheid. In de toekomst hopen we de nauwkeurigheid nog verder te verbeteren, waarbij het bijvoorbeeld mogelijk moet worden de kernstralen (eigenlijk het verschil in kernstraal van helium-3 en helium-4) met een nauwkeurigheid onder de 1 attometer te bepalen.