Heksenketel voor het wegen van magische kernen krijgt subsidie

Haar methoden zijn een gruwel voor natuurkundigen, maar dankzij een chemische achtergrond kan Julia Even mogelijk een doorbraak forceren: het nauwkeurig vaststellen van de massa van exotische, instabiele atoomkernen. Zij heeft hiervoor onlangs een onderzoeksubsidie van 425.000 euro ontvangen van NWO.

Hoe meet je de massa van een atoom? Dat is niet eenvoudig, zeker niet als het gaat om atoomkernen die in enkele seconden of nog sneller uiteen vallen. ‘En de nauwkeurigheid die we willen bereiken is zeer groot’, vertelt Julia Even van het KVI-Center for Advanced Radiation Technology (KVI-CART) van de RUG. Zij toont een dia op haar laptop, met een Airbus 380 en een muntje van een eurocent. ‘De Airbus weegt 275 ton, het muntje 2,3 gram. De nauwkeurigheid die wij willen bereiken zou vergelijkbaar zijn met het wegen van een Airbus om te zien of daar een losse eurocent in zit.’

De atoomkern die ze wil meten is ¹⁰⁰Sn, tin met een massagetal van 100. Dit is een ‘dubbel magische’ atoomkern die bestaat uit 50 neutronen en 50 protonen. ‘We noemen hem dubbel magisch omdat de schillen voor zowel neutronen als protonen volledig bezet zijn.’ Volgens het schillenmodel kunnen neutronen en protonen in een bepaalde energietoestand (de schil) verkeren. De massa van zowel neutronen als protonen is bekend, maar je kunt die niet zomaar bij elkaar optellen: ‘de bindingsenergie die ze bij elkaar houdt heeft invloed op de massa van de kern.’ Theoretische modellen zijn niet nauwkeurig genoeg om de massa van instabiele kernen nauwkeurig te berekenen.

Einstein

Door de massa te meten kan Even de bindingsenergie afleiden via de beroemde E-mc² van Einstein. Hoe nauwkeuriger zij de massa kan meten, hoe nauwkeuriger de berekening van de bindingsenergie zal zijn. ‘We doen dit voor ¹⁰⁰Sn en voor enkele isotopen dicht daarbij in het periodiek systeem.’ Even toont een kaart hiervan, waarin kernen groen, oranje, geel of rood zijn gekleurd. ¹⁰⁰Sn en ¹⁰¹Sn zijn donkerrood, wat betekent dat de zekerheid waarmee hun massa bekend is erg laag is. ‘Mijn doel is om ze groen te maken: een hoge zekerheid.’

Wanneer massa en bindingsenergie met grote zekerheid bekend zijn helpt dat wetenschappers in de kernfysica of astrofysica om modellen die beschrijven hoe onstabiele kernen worden gevormd te verbeteren. ‘Dit vindt plaats in exploderende sterren, via een proces dat snelle proton vangst heet. De details van die modellen zijn van belang om te begrijpen hoe de chemische elementen waaruit ons heelal bestaat zijn gevormd.

Dus moet Even de massa meten. Daar zijn technieken voor, zij zal de Penning Val gebruiken, een gebruikelijke manier om de atoommassa te meten. Maar dat gaat niet zomaar, legt zij uit: ‘¹⁰⁰Sn vervalt binnen een seconde, dus moet je het produceren en dan direct naar de Penning Val sturen.’ Dit gebeurt in een deeltjesversneller die een straal chroomatomen afschiet op een trefplaatje van nikkel folie. ‘Alleen krijg je daarmee allerlei verschillende kernen waarvan de som van alle neutronen en protonen 100 is.’ De hoeveelheid ¹⁰⁰Ag (zilver) is ongeveer 100.000 keer groter dan ¹⁰⁰Sn. En er ontstaat ook veel ¹⁰⁰ Cd (cadmium).

En hier gaat het tot nu toe altijd mis bij de collega’s van Even: ze weten niet hoe ze die paar tin-atomen uit de atoomkernsoep moeten vissen. ‘De aanpak die ze gebruiken is om zo schoon mogelijk te werken. Ze stoppen het tin en al die andere atoomkernen in een gasvanger, die ze schoon houden door bijvoorbeeld alle verontreinigingen er uit te vriezen.’ Maar de resultaten die zo zijn behaald vallen nogal tegen. Daarom gebruikt Even, met dank aan haar achtergrond in de scheikunde, een andere aanpak: ‘Ik vul de gaskamer met methaan, dat zich bindt aan zowel zilver als cadmium. En daardoor kan ik die kernen eruit halen.’

Heksenketel

Ze verandert de superschone gasvanger dus in een bubbelende heksenketel gevuld met methaan. ‘De meeste natuurkundigen zijn bang voor scheikunde’, zegt zij glimlachend. Daarom noemt ze haar idee ‘hekserij’. Het experiment zal uiteindelijk plaatsvinden in Duitsland, bij het GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research in Darmstadt. De beheerders zullen haar niet zomaar toestaan om methaan in hun systeem te spuiten. ‘Ik zal eerst moeten laten zien dat het principe werkt. Met het geld van NWO wil ik een gasvanger bouwen om los van de versneller mee te experimenteren. Dat doen we hier in Groningen.’ Als zij eenmaal heeft laten zien dat haar methode het zilver en cadmium kan verwijderen, zal ze meettijd gaan aanvragen in Darmstadt. ‘En dan breng ik mijn eigen gasvanger mee.’

Als Even succes heeft is dat een doorbraak in de kernfysica. Een hele rij met rode atoomkernen kan ze groen maken, wat allerlei nieuwe inzichten zal opleveren en veel van haar collega’s heel blij gaat maken. En zij vindt het zelf ook erg leuk: ‘het meten van massa is mooi om te doen. Het is zo veel eenvoudiger dan het alternatief, het meten van een uitgebreid spectrum. Dat vraagt om veel meer metingen en een ingewikkelde analyse van de gegevens. Wij doen gewoon een meting en krijgen de massa er bijna direct uit.