Moleculen stilzetten om nieuwe natuurkunde te ontdekken

Het Standaardmodel van de deeltjesfysica beschrijft heel succesvol de werking van ons universum. Maar het kan niet alles verklaren. Natuurkundigen zoeken daarom al een tijd naar nieuwe natuurkunde met behulp van grote deeltjesversnellers, zoals de Large Hadron Collider van CERN. Aan de RUG gebruiken ze een andere techniek: in plaats van deeltjes met veel kracht op elkaar te laten botsen willen de natuurkundigen hier moleculen helemaal tot stilstand brengen. Ze hebben daarin nu een nieuw record gezet door moleculen strontiumfluoride stil te zetten met een elektronische val. De resultaten zijn op 21 oktober gepubliceerd in Physical Review Letters.

Volgens het Standaardmodel van de deeltjesfysica zijn er bij de zogeheten Oerknal waarmee ons universum ontstond gelijke hoeveelheden materie en antimaterie ontstaan. In dat geval hadden die twee elkaar moeten doen verdwijnen. Toch leven we in een universum dat bestaat uit materie. ‘Dit wijst erop dat de fundamentele wetten van het universum niet zo symmetrisch zijn als het Standaardmodel voorspelt’, zegt Steven Hoekstra, adjunct hoogleraar Atoom- en Molecuulfysica aan het Van Swinderen Instituut voor Deeltjesfysica en Zwaartekracht van de RUG. ‘En we willen die asymmetrie graag onderzoeken in een experiment op tafelformaat.’

Asymmetrie

Andere natuurkundigen gebruiken hiervoor enorme deeltjesversnellers zoals CERN in Zwitserland. ‘Die laten deeltjes op elkaar botsen en onderzoeken de brokstukken op sporen van nieuwe natuurkunde. Wij gebruiken een lage-energie aanpak, we brengen moleculen tot stilstand en bestuderen ze dan heel nauwkeurig.’ Het doel van Hoekstra en zijn groep is om het elektrisch dipoolmoment van een elektron te meten. Een elektron kennen we allemaal als de drager van een negatieve lading, maar volgens de theorie is er een minuscule asymmetrie in die lading wanneer een elektron in wisselwerking is met andere deeltjes. ‘Dit breekt de symmetrie een heel klein beetje. Dat willen we onderzoeken: is de symmetriebreking groter dan het Standaardmodel voorspelt? In dat geval hebben we bewijs van natuurkunde voorbij het Standaardmodel.’

Het idee is om een zwaar molecuul, dat bovendien een vrije radicaal is omdat het een ongepaard elektron bevat, te bestuderen terwijl het helemaal stil staat. Dan moet het mogelijk zijn om de wisselwerking tussen elektron en atoomkern als vergrootglas te gebruiken om het dipoolmoment van het elektron te bepalen. In theorie is dit mogelijk, in de praktijk is er heel veel werk en vasthoudendheid voor nodig. Hoekstra heeft al zo’n tien jaar gestoken in het ontwerpen en bouwen van dit experiment.

Gevoelig

In zijn laboratorium staat een 4,5 meter lange constructie op een hele lange tafel. Aan de ene kant worden strontiumfluoride moleculen gemaakt. ‘De vrije radicalen die we nodig hebben zijn zeer instabiel, dus moet je ze in het experiment produceren.’ De moleculen schieten uit de eerste kamer met een snelheid van 190 meter per seconde. Dan komen ze in een buis terecht, waarin ringetjes met hoogspanning erop een bewegend elektrisch veld produceren. ‘De ringen zijn afgesteld om een bolvormig symmetrisch veld te produceren dat meebeweegt met de moleculen, waardoor ze die opvangen.’ De moleculen draaien rond in deze bolvormige val als knikkers in een schaal, en uiteindelijk komen ze daarin tot stilstand. ‘Dat gebeurt na vier meter. In onze nieuwste publicatie tonen we aan dat de moleculen daar inderdaad helemaal stil staan.’

Het stilzetten van de moleculen is één ding, het doen van metingen van het elektrisch dipoolmoment is iets geheel anders. ‘Onze val verandert door het elektrisch veld de energieniveaus van de moleculen. We onderzoeken nog hoe we daarvoor kunnen compenseren.’ Als eerste stap zullen de natuurkundigen daarom moleculen die met 30 meter per seconde door de opstelling schieten gebruiken voor gevoelige metingen. ‘Bij die snelheid blijven ze in een recht lijn bewegen, ze vallen niet naar beneden. Dat geeft ons ruim tien milliseconden om de eigenschappen van het elektron te bestuderen.’ Als deze metingen niet gevoelig genoeg zijn om het elektrisch dipoolmoment te meten, zullen ze in ieder geval nieuwe grenzen bepalen voor de grootte ervan.

Doorzettingsvermogen

Hoekstra en zijn team bouwen ook aan een opstelling voor deze metingen. Deze bestaat uit een grote cilinder die moleculen afschermt van verstoringen door het aardmagnetisch veld. ‘We gebruiken de opstelling al voor onze eerste metingen, met een snelle moleculenstroom van 600 meter per seconde. En met deze opstelling willen we ook moleculen bij 30 meter per seconde onderzoeken’, legt Hoekstra uit. Hij verwacht dat dit over ongeveer twee jaar mogelijk zal zjin.

De afgelopen tien jaar is het duidelijk geworden dat bariumfluoride, een molecuul dat net iets zwaarder is dan strontiumfluoride, nauwkeuriger resultaten zal opleveren. ‘We zullen onze afremmer dus moeten aanpassen op bariumfluoride, maar dat is een relatief kleine stap.’ Het hele project vraagt wel om veel geduld en doorzettingsvermogen. Maar zo gaat dat nu eenmaal met dit soort ultragevoelig metingen. ‘We moeten het ene probleem na het andere oplossen.’ Toch zijn er ook onderweg al beloningen. Het team, dat uit zo’n twintig wetenschappers en technici bestaat, is er nu immers in geslaagd strontiumfluoride moleculen stil te zetten. En die zijn drie keer zwaarder dan het huidige ‘wereldrecord’ dat met deze techniek is gezet. ‘Nu we deze moleculen kunnen stilzetten is de volgende stap dat we aantonen dat we ze kunnen gebruiken voor onze metingen.’

Referentie: P. Aggarwal, Y. Yin, K. Esajas, H. L. Bethlem, A. Boeschoten, A. Borschevsky, S. Hoekstra, K. Jungmann, V. R. Marshall, T. B. Meijknecht, M. C. Mooij, R. G. E. Timmermans, A. Touwen, W. Ubachs, and L. Willmann (NL-eEDM collaboration): Deceleration and Trapping of SrF Molecules. Phys. Rev. Lett. online 21 October 2021