Single ion spectroscopy in preparation of an atomic parity violation measurement in Ra+

Eén enkel barium-atoom in een ultrakoude ionenval moet weg banen voor een nauwkeuriger atoomklok

Mayerlin Nunez Portela isoleerde en onderzocht één enkel barium-atoom in een ultrakoude ionenval. Haar werk moet de weg banen voor een nauwkeuriger atoomklok, gebaseerd op radium.

Het Standaardmodel van de deeltjesfysica is de meest succesvolle theorie die drie van de vier fundamentele natuurkrachten beschrijft: de elektromagnetische kracht, de zwakke kernkracht en de sterke kernkracht.

Het Standaardmodel kan worden getest door experimenten bij hoge energie met versnellers zoals bij CERN, maar ook getest bij lage energie door middel van precisiemetingen in veel kleinschaliger opstellingen die nog op één tafel passen.

In een dergelijk experiment wordt één van de parameters van het Standaardmodel zeer precies gemeten en wordt deze waarde vervolgens vergeleken met de theoretische voorspelling. Een discrepantie tussen beide zou een indicatie zijn voor natuurkunde buiten het Standaardmodel. Atomaire pariteitsschending is een voorbeeld van zo'n kleinschalig precisie-experiment dat momenteel ontwikkeld wordt aan het Van Swinderen Instituut. Met name de bepaling van de Weinberghoek bij lage energieën maakt het mogelijk om naar fysica buiten het Standaardmodel te zoeken.

De precisie waarmee deze parameter kan worden verkregen hangt af van de nauwkeurigheid van de kennis van de atomaire golffuncties, die voor systemen met één valentie-elektron zoals Ba+ (barium) en Ra+ (radium)-ionen nauwkeurig kunnen worden berekend. APV-effecten zijn het grootst in zware atomen, waardoor Ra+ een zeer geschikt systeem vormt voor een dergelijke meting.

Een competitieve meting van APV met Ra+ vereist één enkel gelokaliseerd ion. Vanwege de radioactiviteit van alle Ra+ isotopen wordt het enkele-ionenexperiment aan het Van Swinderen Instituut ontwikkeld met het chemisch homologe Ba+ als voorloper voor Ra+. Hieraan zijn laserspectroscopie en metingen van levensduren van Ba+ verricht. De gemeten waardes kunnen worden gebruikt om de theoretische berekeningen aan Ba+-ionen te verbeteren. De resultaten die behaald zijn met Ba+ maken de weg vrij voor een APV-experiment met Ra+.

Radium ionen zijn ook zeer geschikt om te dienen als een optische klok. Een glasvezelverbinding tussen de Vrije Universiteit Amsterdam en ons instituut is reeds aangelegd en getest om later zulke klokken te kunnen vergelijken en te zoeken naar mogelijke tijdsafhankelijkheid van fundamentele natuurconstanten.

Mayerlin Nunez Portela (Bogota, Colombia) verrichtte haar promotieonderzoek aan het Van Swinderen Institute (voorheen het Kernfysisch Versneller Instituut) van de Rijksuniversiteit Groningen, met financiering van de stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM).

Zie voor een eerder verslag van het werk van Nunez Portela de Universiteitskrant: http://www.rug.nl/news/2010/11/1013

Proefschrift: http://irs.ub.rug.nl/ppn/387119078