Dankzij geavanceerde lasertechnologie konden zij niet alleen de eigenschappen van helium uitzonderlijk nauwkeurig in kaart brengen, maar ook de grootte van de atoomkern nauwkeuriger bepalen dan ooit tevoren.
De resultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters: “Spectroscopy of 4He at 0.25 ppt Uncertainty and Improved Alpha-helion Charge-Radius Difference Determination” van Kees Steinebach, Jeroen Koelemeij, Hendrick Bethlem en Kjeld Eikema.
Meten met een precisie van bijna 13 cijfers
Voor het onderzoek bestudeerden de wetenschappers hoe heliumatomen licht absorberen. Met behulp van uiterst stabiele lasers en een verbinding met atoomklokken van zowel de VU als het nationale meetinstituut VSL in Delft werd een recordnauwkeurigheid bereikt van bijna 13 significante cijfers.
Om verstoringen zoveel mogelijk te voorkomen, werden de heliumatomen afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt. In die ultrakoude toestand bewegen de atomen nauwelijks nog, waardoor hun energiestructuur zeer precies kan worden onderzocht.
Helium-3 en helium-4 vergeleken
De onderzoekers vergeleken twee varianten van helium: helium-4, de meest voorkomende vorm die bijvoorbeeld in ballonnen wordt gebruikt, en helium-3, een zeldzamere variant met een iets andere kernsamenstelling.
Door de verschillen tussen deze twee isotopen te meten en te combineren met geavanceerde theoretische berekeningen, konden de onderzoekers het verschil in kernomvang zeer nauwkeurig vaststellen. De gemeten waarde vormt de nauwkeurigste bepaling tot nu toe van het verschil in kernladingsstraal tussen helium-3 en helium-4.
Waarom is dit belangrijk?
Hoewel de kern van een atoom extreem klein is, heeft de exacte grootte ervan invloed op de energiestructuur van het atoom. Juist daarom zijn zulke metingen belangrijk voor de fundamentele natuurkunde.
Nauwkeurige kennis van atoomstructuren helpt wetenschappers om bestaande natuurwetten te testen. Als metingen en theorie ooit niet meer overeenkomen, kan dat een aanwijzing zijn voor nieuwe natuurkundige verschijnselen die nog niet bekend zijn.
Belangrijke bouwsteen voor toekomstige innovaties
Het onderzoek levert niet direct een nieuwe technologie of toepassing op, maar vormt wel een belangrijke bouwsteen voor toekomstige innovaties. Zeer nauwkeurige metingen van atomen liggen aan de basis van technologieën zoals atoomklokken, satellietnavigatie, telecommunicatie en geavanceerde sensoren.
Daarnaast helpt het onderzoek wetenschappers wereldwijd om theoretische modellen van atoomkernen verder te verbeteren. De nieuwe meetresultaten zijn zelfs nauwkeuriger dan wat huidige kernfysische modellen kunnen voorspellen. Daarmee ontstaat een nieuwe referentie voor onderzoek naar de bouwstenen van materie.
Volgens de onderzoekers biedt dit werk een krachtige test van de huidige natuurkundige theorieën én een belangrijk hulpmiddel in de zoektocht naar nieuwe natuurkunde voorbij de bestaande modellen.
Internationale samenwerking
Aan het onderzoek werkten onderzoekers van de Vrije Universiteit Amsterdam samen met theoretische natuurkundigen van onder meer de Universiteit van Warschau. De combinatie van geavanceerde experimenten en complexe berekeningen maakte het mogelijk om de omvang van de heliumkern met een ongekende nauwkeurigheid vast te stellen.
Met deze doorbraak verstevigt Nederland zijn positie in internationaal onderzoek naar precisiefysica en fundamentele natuurwetten.