Natuurkundigen weten de ‘sweet spot’ van thorium te raken, en dat is een grote doorbraak
Als je het element thorium met een laserstraal van precies de juiste golflengte raakt, gaat het vreemde dingen doen. Dat is nu gelukt, en dat opent de weg naar nieuwe en preciezere wetenschap.
Een atoomklok is al zó precies, dat ie er na miljarden jaren maar een seconde naast zit. Toch kan het nog veel beter: door handig gebruik te maken van atoomkernen van het element thorium. Een team van Oostenrijkse en Duitse wetenschappers onder leiding van Thorsten Schumm (Technische Universiteit Wenen) heeft met een uitdagende meting een belangrijke stap richting zo’n ‘kernklok’ gezet. “Een heel grote doorbraak”, oordeelt Steven Hoekstra, hoogleraar atoom- en molecuulfysica aan de Rijksuniversiteit Groningen.
Thorium is een zilverkleurig metaal waarvan de atomen nét iets lichter zijn dan die van uranium, het zwaarste element dat op aarde van nature voorkomt. De kern van een thoriumatoom bestaat altijd uit exact 90 protonen (deeltjes met een positieve elektrische lading) met daarnaast zo’n 140 neutronen (die geen lading hebben). Van één thorium-variant, thorium-229 (90 protonen, 139 neutronen) is al sinds de jaren zeventig een eigenschap bekend die voor zover we weten geen enkele andere atoomkern heeft. “Schijn je ultraviolet licht met de juiste golflengte op een thorium-229-kern, dan verandert het arrangement van de protonen en de neutronen”, zegt Hoekstra.
In eerste instantie was alleen niet duidelijk wat nu precies die magische golflengte is. En met ongeveer de juiste golflengte kom je er niet; is die net ietsje te kort of te lang, dan gebeurt er helemaal niets met het thorium. Wel hebben de afgelopen decennia heel wat teams de benodigde golflengte steeds beter weten te benaderen met indirecte metingen, zegt Florian Schreck, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Amsterdam. Maar daadwerkelijk een thoriumkern laten overgaan van de ene naar de andere toestand: dat is nooit iemand gelukt.
148,3821 nanometer, om precies te zijn
Tot nu. Gebruikmakend van een laser gebouwd aan het Nationaal Metrologisch Instituut in het Duitse Braunschweig wisten Schumm en collega’s eindelijk precies de sweet spot te raken. Die bleek te liggen bij een golflengte van 148,3821 nanometer, plus of min 0,0005 nanometer. Een ander team, onder leiding van natuurkundige Eric Hudson (Universiteit van Californië, Los Angeles) heeft die waarde inmiddels bevestigd met een vergelijkbaar experiment.
Cruciaal was dat Schumm en zijn team niet een handjevol thoriumkernen onder vuur namen, maar zo’n 100 biljard stuks, ‘ingebouwd’ in een kristal. “Het kostte ons tien jaar om uit te vinden hoe je zo’n kristal maakt”, vertelt Schumm. “We smelten eerst calciumfluoride bij een temperatuur van 1460 graden. Dan voegen we thoriumfluoride toe. Vervolgens laten we het materiaal héél langzaam weer vast worden. Zo krijg je een perfecte kristalstructuur, waarbij op sommige plekken een calciumatoom is vervangen door een thoriumatoom.”
Maar waarom heb je dan zoveel thoriumkernen nodig? Zou een enkele kern niet genoeg moeten zijn om de juiste golflengte te vinden? Nee, zegt Schumm. Pas als je biljarden atoomkernen tegelijk beschijnt, worden er daarvan genoeg getransformeerd om een meetbaar signaal op te leveren.
Betere klokken, nieuwe natuurkunde
Nu bekend is bij welke golflengte een thoriumkern de protonen en neutronen in zijn binnenste herschikt, kan dat bijvoorbeeld een nieuw type klok opleveren dat nog veel accurater is dan de huidige atoomklokken: een zogenoemde nucleaire klok of ‘kernklok’. Dat zit zo. Om een betrouwbare klok – van wat voor type dan ook – te kunnen bouwen, heb je iets nodig dat altijd met exact hetzelfde tempo ‘tikt’. Dat kan bijvoorbeeld het aantal keren per seconde zijn dat de golf van laserlicht heen en weer schommelt. Alleen: in de praktijk is het licht dat een laser produceert niet zo constant, zegt Hoekstra. “Dat verandert een beetje als de temperatuur of de luchtdruk verandert.”
Daar kun je wat aan doen als je een laser kiest die licht produceert met precies de golflengte waarbij een thoriumkern zijn gedaanteverwisseling ondergaat. Dat geeft je namelijk een manier om continu te checken: klopt de golflengte van mijn laser nog met die van het thorium? “Dat maakt het nieuwe onderzoek een cruciale stap op weg naar zo’n kernklok”, zegt Schreck.
Nu hébben we al klokken die zo accuraat zijn dat ze pas na vele miljarden jaren ook maar een seconde uit de pas lopen. “Het is niet alsof deze techniek je een beter horloge gaat opleveren”, zegt Hoekstra dan ook. Toch: er zíjn toepassingen waarbij een nóg accuratere klok wel degelijk van pas komt.
Bovendien kun je met het resultaat van Schumm en collega’s nagaan of bepaalde natuurconstanten wel écht zo constant zijn als hun naam doet vermoeden. Die met lasers te bewerkstelligen overgang tussen twee thoriumkernvarianten is namelijk het gevolg van het feit dat twee natuurkrachten elkaar in zo’n kern bijna precies compenseren: de elektromagnetische kracht, die werkt tussen elektrisch geladen deeltjes, en de sterke kracht, die de protonen en neutronen in een atoomkern bij elkaar houdt. Zou een van beide krachten in de loop der tijd veranderen, dan heeft dat gevolgen voor de golflengte waarbij thorium-229 overgaat van de ene naar de andere variant. “Dus als we die golflengte zien veranderen, kan ons dat de weg wijzen naar nieuwe natuurkunde”, zegt Schreck.
Lees ook:
Fysici weten het even niet meer. En dat maakt het spannend
Het is de succesvolste theorie uit de natuurkunde, maar na vijftig jaar moet het Standaard Model op de schop. Fysici weten nog niet hoe. ‘Alsof we een misdaad moeten oplossen waarbij het moordwapen ontbreekt.’