Moleculen afgestopt
Stilstand is vooruitgang
Hoogleraar Steven Hoekstra legt samen met zijn team de laatste hand aan hun zelfgebouwde molecuulafremmer. Die kan straks supersnelle moleculen tot stilstand te brengen.
Wanneer de moleculen stilstaan, kan Hoekstra er nauwkeurige metingen aan verrichten. Hij gaat de vorm van het elektron in de moleculen bestuderen.
Misschien heeft het elektron namelijk een andere vorm dan tot nu toe werd aangenomen: elliptisch in plaats van rond.
Als dat echt zo is, betekent het dat er iets moet worden toegevoegd aan het standaardmodel van de deeltjesfysica. Dat is de theorie die het gedrag en de eigenschappen van alle materie beschrijft.
Het stilzetten van moleculen vergt een geavanceerde techniek. Elektrische velden remmen de moleculen geleidelijk af.
Het is een technisch en theoretisch lastig proces. Hoekstra werkt er al jaren aan. Maar dat hoort erbij, vindt hij. ‘Als je probeert te doen wat nog nooit eerder is gedaan, kom je nu eenmaal problemen tegen.’
Leestijd: 6 minuten (1184 woorden)
De machine van de hoogleraar atoom- en molecuulfysica zou niet misstaan in een Star Wars-film. Een stalen gevaarte van vier meter lang, met overal slangen en metertjes, pompen en knoppenpanelen. Aan de achterkant, die normaal gesproken hermetisch afgesloten is, kun je een glimp opvangen van de ingewikkelde ringetjesconstructie binnenin. Je ziet bijna voor je hoe er, onder omineuze orkestmuziek, laserstralen uit tevoorschijn schieten.
Maar dit apparaat is geen rekwisiet uit een ruimtefilm. Het is een deeltjesvertrager, of, in officiële termen, een Stark Decelerator. Die is speciaal ontworpen om bariumfluoridemoleculen tot stilstand te brengen. Een hele klus, want in hun natuurlijke toestand en bij kamertemperatuur stuiteren de moleculen met driehonderd meter per seconde – ruim duizend kilometer per uur – door de ruimte.
Momenteel is het apparaat in aanbouw: er moet nog een halve meter lengte bij. ‘We kunnen de moleculen alleen heel geleidelijk afremmen’, legt Hoekstra uit. Een te abrupte stilstand zou hetzelfde effect hebben als een bestuurder die – zonder gordel – zijn auto op topsnelheid tegen een boom parkeert.
Uitgerekte elektronen
De vertrager moet dus een minimale lengte hebben, wil het experiment goed verlopen. ‘Vierenhalve meter, hebben we berekend. En tot nu toe kloppen onze berekeningen aardig met wat er in de machine gebeurt. Dus ja, we weten vrij zeker dat het ons straks écht gaat lukken.’
Hoekstra en zijn collega’s van het Van Swinderen Institute for Particle Physics and Gravity hebben de vertrager zelf gebouwd. Ook het laatste stuk knutselen ze er eigenhandig aan. Het lab ligt vol schroefjes en moertjes, aan het prikbord hangt een handleiding. 21 genummerde stappen, en achter nummertje 22 staat ‘done’.
Bij die stap zal de machine klaar zijn om de vliegensvlugge bariumfluoridemoleculen stil te zetten. Dat stilzetten heeft een doel. Hoekstra wil heel nauwkeurige metingen verrichten aan de moleculen. Om precies te zijn: aan de elektronen in die moleculen. Het zou namelijk wel eens kunnen dat die niet rond zijn, zoals in de natuurkunde tot nu toe werd aangenomen, maar een beetje uitgerekt.
Bij wijze van spreken dan. ‘Het gaat natuurlijk over iets abstracts, iets onzichtbaars. Strikt genomen heeft een elektron helemaal geen vorm. Maar rond versus uitgerekt is wel een goeie manier om het te visualiseren.’
Haarscheurtjes
De asymmetrie zit ‘m eigenlijk in de verdeling van de elektrische lading over het elektron, die vermoedelijk niet helemaal gelijk is. Wellicht zit er aan de ene kant wat meer positieve lading, en aan de andere kant iets meer negatieve lading. Officieel heet dit het ‘elektrisch dipoolmoment van het elektron’ (eEDM).
Door dat eEDM, vermoedt Hoekstra, is het elektron geen perfect bolletje, maar meer een soort ellips. Nou en, zeg je dan misschien, maar dat kleine elektron heeft grote implicaties. Als het inderdaad een eEDM blijkt te hebben, betekent dat dat het standaardmodel van de deeltjesfysica moet worden uitgebreid.
‘In het standaardmodel is symmetrie heel belangrijk’, verklaart Hoekstra. ‘Dat standaardmodel is een soort theoretisch bouwwerk dat alle deeltjes en de krachten tussen die deeltjes omvat. In principe zouden we met het standaardmodel van de deeltjesfysica alles wat we waarnemen moeten kunnen verklaren.’
In principe. Want in de praktijk vertoont het theoretische bouwwerk de nodige haarscheurtjes, bijvoorbeeld wat de vorm van het elektron betreft. Maar er is een grotere scheur in de theorie, en dat is de scheur die Hoekstra eigenlijk onderzoekt: de verhouding tussen materie en antimaterie.
In een flits
‘Elk deeltje heeft een antideeltje met tegengestelde eigenschappen. Zo kent het negatief geladen elektron een positief geladen antideeltje, het positron’, legt Hoekstra uit. ‘Botsen een deeltje en een antideeltje op elkaar, dan ontstaat er een lichtflits en verdwijnen beide deeltjes.’
Volgens het standaardmodel zouden bij de oerknal vrijwel gelijke hoeveelheden materie en antimaterie gemaakt moeten zijn, maar dat kan niet kloppen. Dan was er namelijk alleen nog maar licht geweest. Het lijkt er dus op dat het standaardmodel op dit punt helemaal niet klopt.
Er zijn uitbreidingen voorgesteld voor het standaardmodel: stukjes theorie die de scheuren als het ware dichten. Sommige daarvan voorspellen de verhouding materie-antimaterie wél correct, en bieden ook ruimte voor een elektron dat elliptisch is in plaats van rond. Met andere woorden: vinden Hoekstra en zijn collega’s een asymmetrisch elektron, dan weten ze dus zeker dat er nog iets aan het standaardmodel moet worden toegevoegd.
‘Het is spannend onderzoek’, vindt Hoekstra. En hij is niet de enige. De Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) heeft met ingang van januari 2017 een subsidie van bijna 2,7 miljoen aan het onderzoeksprogramma toegekend. ‘Het gaat over de Grote Vragen. Hoe zit de wereld in elkaar? Dat is voor veel mensen toch de drijfveer om natuurkunde te gaan studeren: willen weten hoe de wereld in elkaar zit.’
Compleet nieuw
Bij grote vragen horen minstens zulke grote uitdagingen. In Hoekstra’s geval zitten die voornamelijk in de enorme snelheid van het molecuul. Om écht nauwkeurig te kunnen meten, moeten de moleculen namelijk stilstaan. En dat is gemakkelijker gezegd dan gedaan. Het heeft Hoekstra jaren gekost om te komen waar hij nu is, jaren waarin hij allerlei theoretische en technische problemen moest zien op te lossen.
Zo waren bestaande afremmingsmethoden niet toereikend. ‘Atomen zijn vrij eenvoudig stil te zetten door ze af te koelen met laserlicht’, weet Hoekstra, die eerder promoveerde op het afremmen van atomen. ‘Maar een molecuul heeft een veel rijkere energiestructuur dan een atoom. Dat betekent dat je er meer mee kunt, maar ook dat laserkoeling er onvoldoende effect op heeft.’
Dus moeten Hoekstra en zijn collega’s iets anders gebruiken om hun moleculen te vertragen: elektrische velden. ‘Daarmee kun je kracht uitoefenen op een molecuul, net zoals een magnetisch veld dat doet op magneetjes.’ Door de elektrische velden wordt de beweging van het molecuul geleidelijk tegengewerkt, net zolang tot het stilstaat.
Wat Hoekstra en zijn collega’s doen is compleet nieuw. ‘Dat maakt het spannend, maar ook complex. Er zit een hoop theorie in.’ Bovendien kregen Hoekstra en zijn team te maken met technische problemen aan de vertrager, die ze moesten oplossen voordat er verder kon worden gebouwd.
Doel aan de horizon
‘Het gaat in de realiteit van het onderzoek soms wat minder snel dan je hoopt’, zegt Hoekstra daarover, met Gronings gevoel voor understatement. ‘Je werkt toe naar één groot doel aan de horizon, maar dat kan alleen stap voor stap.’
Zijn motivatie wordt er niet minder om. ‘Dat puzzelen, continu problemen tegenkomen en oplossen, dat is de kern van de wetenschap. Als je je door elke complicatie maar uit het veld laat slaan, moet je denk ik niet de wetenschap ingaan. Wij proberen iets te doen wat nog nooit eerder is gedaan. Ja, dan kom je nou eenmaal problemen tegen.’
Over enkele weken zal de verlengde afremmer klaar zijn voor gebruik. Dan kan Hoekstra er weer een wolkje moleculen in laten, en ze – als het goed is – voor het allereerst tot stilstand brengen. Tot die tijd schroeven hij en zijn collega’s moertje voor moertje verder. Tot ze eindelijk dat felbegeerde vinkje achter stap 22 kunnen zetten.