High-precision spectroscopy on molecular hydrogen and molecular deuterium
Onderzoekers in Amsterdam en Zürich hebben een belangrijke stap gezet in het extreem nauwkeurig meten van moleculair waterstof en moleculair deuterium - de eenvoudigste neutrale moleculen in het universum. Die precisie is van groot belang, omdat zulke metingen natuurkundigen helpen te testen of onze huidige theorieën over de natuur nog altijd kloppen, of dat er aanwijzingen zijn voor onbekende natuurkundige verschijnselen.
Moleculair waterstof bestaat uit twee waterstofatomen die aan elkaar gebonden zijn. Wetenschappers proberen al meer dan een eeuw exact te bepalen hoeveel energie nodig is om die binding te verbreken: de zogeheten dissociatie-energie. Juist omdat het molecuul zo eenvoudig is, kunnen theoretici zeer precieze berekeningen maken. Experimentele metingen vormen vervolgens de ultieme test. Als experiment en theorie niet overeenkomen, kan dat wijzen op nieuwe natuurkunde buiten de huidige modellen.
Natuurkundige Charlaine Roth ontwikkelde met haar collega's een innovatieve meetmethode, Ramsey-kamspectroscopie, waarmee energieniveaus in moleculair waterstof met ongekende precisie kunnen worden onderzocht. Met deze techniek werd een cruciale eerste energiestap honderd keer nauwkeuriger gemeten dan voorheen.
Samen met onderzoekers van ETH Zürich werd vervolgens ook de resterende energie gemeten die nodig is om de twee atomen volledig van elkaar te scheiden. Daardoor kon de dissociatie-energie van moleculair waterstof uiteindelijk vijf keer nauwkeuriger worden bepaald dan eerder mogelijk was.
De uitkomst is opvallend: de nieuwe metingen komen volledig overeen met de theoretische voorspellingen. Daarmee is opnieuw bevestigd dat de huidige natuurkundige theorieën uiterst nauwkeurig werken - maar tegelijk worden de grenzen van die theorieën steeds scherper getest.
De maatschappelijke en wetenschappelijke impact van dit soort precisieonderzoek reikt verder dan fundamentele natuurkunde alleen. Technieken die ontwikkeld worden voor ultrascherpe spectroscopie vinden vaak later toepassingen in bijvoorbeeld quantumtechnologie, geavanceerde sensoren en uiterst nauwkeurige tijdsmetingen. Daarnaast kunnen toekomstige, nog preciezere experimenten mogelijk afwijkingen blootleggen die aanwijzingen geven over grote mysteries in het universum, zoals donkere materie en donkere energie.
Roth: "De resultaten markeren het begin van een nieuwe fase in de internationale wedloop tussen experiment en theorie. Verdere verbeteringen in de metingen zullen theoretici dwingen hun berekeningen opnieuw aan te scherpen - in de zoektocht naar een nog dieper begrip van de natuurwetten die ons universum bepalen."
Meer informatie over het proefschrift