Een internationale onderzoekssamenwerking onder leiding van VU-wetenschapper Jeroen Koelemeij ontwikkelde een nieuwe methode om trillingsfrequenties in het moleculaire waterstofion te meten met een vierhonderd keer hogere precisie dan voorheen. De resultaten verbeteren het begrip van de fundamentele wetten van de fysica en deeltjes zoals het proton - onderwerpen die recentelijk onderwerp van discussie zijn geweest. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in Wetenschap vorige week.

De onderzoekssamenwerking bestudeerde de trillingsfrequentie van het eenvoudigste molecuul in de natuur, het moleculaire waterstofion (HD+). Jeroen Koelemeij, senior auteur van het rapport in Wetenschap , zegt, "Deze frequentie is afhankelijk van twee aspecten. De eerste is de massa van de kerndeeltjes - het proton en deuteron - en de massa van het elektron. Voor die, we gebruiken referentiewaarden die zijn verkregen met reeds bestaande meetmethoden. Echter, deze zijn onderwerp van discussie sinds enkele zeer recente waarden in significante mate in tegenspraak waren met oudere referentiewaarden. Het tweede aspect is de interactie tussen de twee kerndeeltjes en het elektron. Dit kan worden beschreven met behulp van kwantumelektrodynamica, een theorie die met succes het gedrag van enkele elektronen en het waterstofatoom (een nucleair deeltje plus een elektron) heeft voorspeld, en die uitstekend overeenkwam met experimentele waarnemingen. De vraag is nu of kwantumelektrodynamica net zo goed werkt voor complexere systemen zoals moleculen."

Theorie en experiment bevestigen eerdere afwijkingen

De nieuwe methode, ontwikkeld door Koelemeij en medewerkers van LaserLaB Vrije Universiteit met financiële steun van de Nederlandse NWO-organisatie, maakt gebruik van een ionenval in een vacuümkamer. In deze val worden ongeveer 100 HD+ ionen opgeslagen, en gekoeld met behulp van lasers tot een duizendste graad boven het absolute nulpunt (-273,15 graden Celsius). Een zeer zuivere moleculaire vibratie wordt vervolgens opgewekt met behulp van andere speciaal gebouwde lasers, en de frequentie ervan gemeten.

De experimenteel gemeten trillingsfrequentie wordt vergeleken met de theoretische waarde zoals voorspeld door kwantum-elektrodynamica, berekend door Franse en Russische natuurkundigen. Theorie en experiment blijken overeen te komen, waardoor de onderzoekers de proton-tot-elektron massaverhouding konden afleiden, een veel gebruikte grootheid in de natuurkunde en scheikunde, met ongekende precisie.

Koelemeij zegt, "Behalve heel precies, onze resultaten bevestigen de recente afwijkende metingen van de protonmassa en protonstraal. Dit is de grote waarde van ons werk:het laat zien dat de eigenschappen van het proton, wanneer het zich in een molecuul bevindt, zijn net zo 'abnormaal' als onlangs gevonden voor enkele protonen en protonen in atomen. De oorsprong van de anomalie lijkt dus in de oudere metingen te liggen. Daarnaast, de overeenkomst tussen theorie en experiment luidt een nieuwe triomf in voor de kwantumelektrodynamica, die blijkt te gelden voor moleculen, te."

Mogelijke vijfde kracht

Koelemeij denkt dat de nieuwe methode tot meer inzichten kan leiden:"De natuurkunde nadert een keerpunt in de geschiedenis. Gedurende het grootste deel van de afgelopen eeuw heeft experimentele en astronomische waarnemingen kunnen altijd worden verklaard door ofwel de relativiteitstheorie van Einstein, of het standaardmodel van deeltjesfysica en velden. Maar in de afgelopen vier decennia groeiend bewijs suggereert dat 95% van ons universum uit donkere materie en donkere energie bestaat. Niemand weet waar deze van gemaakt zijn."

Er is gespeculeerd dat donkere materie en energie verband houden met nog onontdekte deeltjes en 'vijfde krachten' van de natuur, die ook de trillingen van HD+ kunnen beïnvloeden. Meer precieze studies zouden dit kunnen detecteren als een afwijking tussen theorie en experiment. Koelemeij zegt, "Ons huidige experiment heeft zo'n discrepantie niet aan het licht gebracht. Toch kunnen we onze resultaten gebruiken om een ​​strengere bovengrens te stellen aan de sterkte van de kracht, en de massa van onontdekte deeltjes."

Koelemeij en collega's denken na over preciezere experimenten:"Het is net een spelletje Mastermind. Je prikt de moleculen met een bepaalde kleur laserlicht, en onderzoek de informatie die de moleculen je teruggeven. Dan probeer je het nog een keer met een andere kleur, en nogmaals - totdat je alle informatie hebt verzameld die nodig is om de natuurcode te doorbreken."