In experimenten aan het Paul Scherrer Instituut PSI, een internationale onderzoekssamenwerking heeft de straal van de atoomkern van helium vijf keer nauwkeuriger gemeten dan ooit tevoren. Met behulp van de nieuwwaarde fundamentele natuurkundige theorieën kunnen worden getest en natuurlijke constanten kunnen nog nauwkeuriger worden bepaald. Voor hun metingen, de onderzoekers hadden muonen nodig - deze deeltjes lijken op elektronen, maar zijn ongeveer 200 keer zwaarder. PSI is de enige onderzoekslocatie ter wereld waar voldoende zogenaamde energiezuinige muonen worden geproduceerd voor dergelijke experimenten. De onderzoekers publiceren hun resultaten vandaag in het tijdschrift Natuur .

Na waterstof, helium is het op één na meest voorkomende element in het universum. Ongeveer een kwart van de atoomkernen die in de eerste minuten na de oerknal werden gevormd, waren heliumkernen. Deze bestaan ​​uit vier bouwstenen:twee protonen en twee neutronen. Voor fundamentele fysica, het is cruciaal om de eigenschappen van de heliumkern te kennen, onder andere om de processen in andere atoomkernen die zwaarder zijn dan helium te begrijpen. "De heliumkern is een zeer fundamentele kern, die als magisch kan worden omschreven, " zegt Aldo Antognini, een fysicus bij PSI en ETH Zürich. Zijn collega en co-auteur Randolf Pohl van de Johannes Gutenberg Universiteit in Mainz in Duitsland voegt toe:"Onze eerdere kennis over de heliumkern komt van experimenten met elektronen. Bij PSI, echter, we hebben voor het eerst een nieuw type meetmethode ontwikkeld die een veel betere nauwkeurigheid mogelijk maakt."

Hiermee, de internationale onderzoekssamenwerking slaagde erin om de grootte van de heliumkern ongeveer vijf keer nauwkeuriger te bepalen dan bij eerdere metingen mogelijk was. De groep publiceert haar resultaten vandaag in het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift Natuur . Volgens hun bevindingen de zogenaamde gemiddelde ladingsstraal van de heliumkern is 1.67824 femtometers.

"Het idee achter onze experimenten is eenvoudig, " legt Antognini uit. Normaal draaien twee negatief geladen elektronen om de positief geladen heliumkern. "We werken niet met normale atomen, maar met exotische atomen waarin beide elektronen zijn vervangen door een enkel muon, " zegt de natuurkundige. Het muon wordt beschouwd als de zwaardere broer van het elektron; het lijkt erop, maar het is ongeveer 200 keer zwaarder. Een muon is veel sterker aan de atoomkern gebonden dan een elektron en omcirkelt deze in veel smallere banen. Vergeleken met elektronen, een muon blijft veel vaker in de kern zelf. "Dus met muonisch helium, we kunnen conclusies trekken over de structuur van de atoomkern en de eigenschappen ervan meten, " legt Antognini uit.

Langzame muonen, ingewikkeld lasersysteem

De muonen worden geproduceerd bij PSI met behulp van een deeltjesversneller. De specialiteit van de faciliteit:het opwekken van muonen met lage energie. Deze deeltjes zijn traag en kunnen in het apparaat worden gestopt voor experimenten. Dit is de enige manier waarop onderzoekers de exotische atomen kunnen vormen waarin een muon een elektron uit zijn baan gooit en vervangt. Snelle muonen, in tegenstelling tot, zou dwars door het apparaat vliegen. Het PSI-systeem levert meer energiezuinige muonen dan alle andere vergelijkbare systemen wereldwijd. "Daarom kan het experiment met muonisch helium alleen hier worden uitgevoerd, " zegt Franz Kottmann, die al 40 jaar doorzet met de nodige voorstudies en technische ontwikkelingen voor dit experiment.

De muonen raken een kleine kamer gevuld met heliumgas. Als de omstandigheden goed zijn, muonisch helium ontstaat, waar het muon zich in een energietoestand bevindt waarin het vaak in de atoomkern blijft. "Nu komt het tweede belangrijke onderdeel van het experiment om de hoek kijken:het lasersysteem, " legt Pohl uit. Het ingewikkelde systeem schiet een laserpuls af op het heliumgas. Als het laserlicht de juiste frequentie heeft, het prikkelt het muon en brengt het naar een hogere energietoestand, waarin zijn pad praktisch altijd buiten de kern is. Wanneer het van deze naar de grondtoestand valt, het zendt röntgenstralen uit. Detectoren registreren deze röntgensignalen.

In het experiment, de laserfrequentie wordt gevarieerd totdat een groot aantal röntgensignalen arriveert. Natuurkundigen spreken dan van de zogenaamde resonantiefrequentie. Met zijn hulp, dan, het verschil tussen de twee energetische toestanden van het muon in het atoom kan worden bepaald. Volgens de theorie, het gemeten energieverschil hangt af van hoe groot de atoomkern is. Vandaar, met behulp van de theoretische vergelijking, uit de gemeten resonantie kan de straal worden bepaald. Deze data-analyse werd uitgevoerd in de groep van Randolf Pohl in Mainz.

Het mysterie van de protonstraal vervaagt

De onderzoekers van PSI hadden in 2010 al op dezelfde manier de straal van het proton gemeten. hun waarde kwam niet overeen met die verkregen door andere meetmethoden. Er was sprake van een protonenstraalpuzzel, en sommigen speculeerden dat er een nieuwe fysica achter zou kunnen liggen in de vorm van een voorheen onbekende interactie tussen het muon en het proton. Deze keer is er geen tegenstelling tussen de nieuwe, nauwkeurigere waarde en de metingen met andere methoden. "Dit maakt de verklaring van de resultaten met natuurkunde buiten het standaardmodel onwaarschijnlijker, ", zegt Kottmann. Bovendien de laatste jaren nadert de waarde van de protonstraal die met andere methoden is bepaald, het exacte aantal van PSI. "De protonenstraalpuzzel bestaat nog steeds, maar het vervaagt langzaam, ', zegt Kottmann.

"Onze meting kan op verschillende manieren worden gebruikt, " zegt Julian Krauth, eerste auteur van de studie:"De straal van de heliumkern is een belangrijke toetssteen voor de kernfysica." Atoomkernen worden bij elkaar gehouden door de zogenaamde sterke interactie, een van de vier fundamentele krachten in de natuurkunde. Met de theorie van sterke interactie, bekend als kwantumchromodynamica, natuurkundigen zouden met enkele protonen en neutronen de straal van de heliumkern en andere lichte atoomkernen willen kunnen voorspellen. De uiterst nauwkeurig gemeten waarde voor de straal van de heliumkern stelt deze voorspellingen op de proef. Dit maakt het ook mogelijk om nieuwe theoretische modellen van de nucleaire structuur te testen en atoomkernen nog beter te begrijpen.

De metingen aan muonisch helium kunnen ook worden vergeleken met experimenten met normale heliumatomen en -ionen. Bij experimenten met deze te, energietransities kunnen worden geactiveerd en gemeten met lasersystemen - hier, Hoewel, met elektronen in plaats van muonen. Metingen aan elektronisch helium zijn op dit moment aan de gang. Door de resultaten van de twee metingen te vergelijken, het is mogelijk om conclusies te trekken over fundamentele natuurlijke constanten zoals de Rydberg-constante, die een belangrijke rol speelt in de kwantummechanica.

Een samenwerking met een lange traditie

Hoewel de meting van de protonstraal alleen succesvol was na langdurige experimenten, het heliumkernexperiment werkte meteen. "We hadden het geluk dat alles vlot verliep, " zegt Antognini, "omdat we met ons lasersysteem aan de limiet van de technologie zitten, en er kan gemakkelijk iets kapot gaan."

"Met ons nieuwe project wordt het nog moeilijker, " voegt Karsten Schuhmann van ETH Zürich toe. "Hier hebben we het nu over de magnetische straal van het proton. En hiervoor, de laserpulsen moeten 10 keer krachtiger zijn."