Natuurwetten ontcijferen met moleculair Mastermind

Een internationaal team wetenschappers, onder leiding van VU-natuurkundige Jeroen Koelemeij, heeft een nieuwe methode ontwikkeld waarmee ze trillingsfrequenties in het moleculair waterstofion met vierhonderd keer hogere nauwkeurigheid kunnen meten dan voorheen.

31-07-2020 | 9:45

Hierdoor kunnen ze verbeterde uitspraken doen over ons begrip van de natuurwetten en deeltjes als het proton – onderwerpen waarover recent de nodige vragen zijn gerezen. De onderzoeksresultaten zijn deze week verschenen in Science.

HD+: trillingen in een driedelig molecuul
Het onderzoeksteam heeft onderzoek gedaan naar de precieze trillingsfrequentie van het eenvoudigste molecuul dat er bestaat, het driedelige moleculaire waterstofion (HD+). Jeroen Koelemeij, senior auteur van het artikel in Science: “Deze trillingsfrequentie wordt door twee dingen bepaald. Ten eerste de massa en diameter van de kerndeeltjes – het proton en deuteron – en de massa van het elektron. Daarvoor gebruiken we waardes afkomstig van reeds bestaande meetmethodes. Maar nadat sommige recente waardes sterk bleken af te wijken van oudere meetwaardes is er discussie over de betrouwbaarheid van die waardes en methodes.”

Koelemeij vervolgt: “Het tweede aspect is de wisselwerking tussen de twee kerndeeltjes en het elektron. Die kan worden beschreven met behulp van de quantum-elektrodynamica, een theorie die succesvol is geweest in het beschrijven van losse elektronen en het waterstofatoom (een kerndeeltje plus een elektron). Dat weten we doordat eerdere metingen aan losse elektronen en atomen in overeenstemming bleken met de theorie. De vraag is echter of dit ook voor complexere deeltjes zoals moleculen geldt.”

Theorie en experiment bevestigen eerdere afwijkingen
De nieuwe methode, met steun van NWO ontwikkeld door Koelemeij en collega’s in het LaserLaB van de VU, maakt gebruik van een ionenval (zie foto) in een vacuümkamer. Hierin worden ongeveer 100 HD+ ionen opgesloten en met behulp van lasers afgekoeld tot tienduizendste graad boven het absolute nulpunt (-273,15 graden Celsius). De moleculaire trillingen worden daarna met hoge zuiverheid met speciaal daarvoor ontwikkelde lasers aangeslagen en gemeten.

De gemeten frequentie is vergeleken met de theoretische trillingsfrequentie zoals voorspeld door de quantum-elektrodynamica, berekend door natuurkundigen uit Frankrijk en Rusland. Theorie en experiment blijken in overeenstemming te zijn, wat de wetenschappers in staat stelt om de massa van het proton ten opzichte van elektron - een veelgebruikte natuurconstante - met ongekend hoge precisie te bepalen.

Koelemeij: “Ons resultaat is niet alleen heel nauwkeurig, maar ook in overeenstemming met de schijnbaar afwijkende recente metingen van de protonmassa en de protonstraal. Dat is de grote bijdrage van ons onderzoek: dat het proton in moleculen dezelfde ‘afwijkende’ eigenschappen blijkt te hebben als onlangs al was vastgesteld met losse protonen en protonen in atomen. Daarmee lijkt de oorzaak voor de afwijkingen vooral in de oudere meetwaardes te zitten. En de overeenkomst tussen theorie en experiment betekent een nieuw succes voor de quantum-elektrodynamica, dat ook moleculen succesvol blijkt te kunnen beschrijven.”

Mogelijke vijfde natuurkracht
De nieuwe methode kan tot meer inzichten leiden. Koelemeij: “De natuurkunde nadert een keerpunt. In de vorige eeuw konden de experimentele en astronomische waarnemingen steevast worden verklaard door enerzijds de Relativiteitstheorie van Einstein en anderzijds het Standaardmodel van de deeltjesfysica. Maar de laatste veertig jaar zijn er steeds meer aanwijzingen dat 95% van het universum bestaat uit onbekende donkere materie en donkere energie. Niemand weet wat dat is.”

Er zijn speculaties dat donkere materie en energie verband houden met nog onontdekte deeltjes en natuurkrachten die ook de trillingen in HD+ kunnen beïnvloeden. Dat zou in nog preciezere experimenten een significante afwijking kunnen opleveren tussen theorie en experiment. Koelemeij: “Een dergelijke afwijking is in ons experiment nu niet vastgesteld, maar we kunnen wel een veel betere bovengrens geven voor de sterkte van een mogelijke vijfde natuurkracht, en de massa van mogelijke onontdekte deeltjes.”

Koelemeij en zijn collega’s denken al na over verbeterde vervolgexperimenten: “Het heeft allemaal wel wat weg van het spel Mastermind. Je prikt een laser van een bepaalde kleur in je experiment, en kijkt welke informatie het experiment teruggeeft. Dan probeer je het nog eens met een andere kleur, en nog eens – net zo lang tot je alle benodigde informatie op tafel hebt om de natuurwetten en eigenschappen van deeltjes te ontcijferen.”