Het Nikhef eEDM-experiment in Groningen dat speurt naar asymmetrie in het elektron, heeft een eerste EDM-meting gepubliceerd en is nu klaar voor snelle verbeteringen.
De stand van het experiment is in een recente artikel in het European Physical Journal D gepresenteerd samen met een overzicht van de aanstaande stappen voor toekomstige flinke verbeteringen. “Het principe van het experiment, waarin we spiegelsymmetrie van een spinnend elektron testen, is simpel; maar de kunst is dan wel om de perfecte spiegel te bouwen”, zegt Lorenz Willmann namens van het NL-eEDM team.
Het Nikhef eEDM programma werkt sinds 2018 aan de opstelling, die in de laboratoria in Groningen wordt opgebouwd. Nikhef-programmaleider Steven Hoekstra benadrukt dat het Groningse experiment een nieuwe levensfase ingaat.
“We bouwen ons onderzoeksprogramma stapsgewijs op. De gepubliceerde metingen markeren het eindpunt van de opbouwfase. Nu gaan we de werkende opstelling steeds verder perfectioneren.” Met deze stappen verwachten zij een nieuw molecuul toe met een vergelijkbare gevoeligheid als andere eEDM experimenten wereldwijd.
De eEDM experimenten draaien om het meten van heel kleine energie verschillen van een electron in parallelle en anti-parallelle elektrisch en magnetisch veld. Het experiment in Groningen, waarbij RUG, UvA en VU betrokken zijn, heeft een heel eigen benadering. In de opstelling worden de elektronen in moleculen bariumfluoride (BaF) moleculen bestudeerd, door met lasers overgangen tussen energie-niveau’s aan te slaan.
Bundels moleculen worden daartoe met de speciaal hiervoor ontwikkelde opstelling in de meest geschikte quantumtoestand gebracht voor de metingen. De meterslange opstelling was in 2024 voor het eerst voldoende opgebouwd voor de eerste metingen aan het elektron dipoolmoment in BaF.
Over ruim anderhalve dag zijn data verzameld, vlak voor het verhuizing van de hele experimentele opstelling naar het nieuwe Feringa-gebouw in Groningen. De metingen geven een bovengrens voor de eEDM: hooguit 2(3) x 10-25 ecm.
Een elektrisch dipoolmoment dat niet nul is zou nieuw licht kunnen werpen op de verschillen tussen materie en antimaterie. Dipool-experimenten zijn daarmee een volwaardige aanvulling op versneller-experimenten, zoals die plaatsvinden op CERN.
Een belangrijke reden dit artikel te publiceren is vooral de gekozen aanpak, zegt Willmann. “We hebben een methode ontwikkeld, waardoor we kunnen laten zien dat wij die elektrische en magnetische velden in dezelfde meting kunnen bepalen. Dit geeft ons vertrouwen dat wij met de aanstaande verbeteringen binnenkort veel scherper limieten zullen kunnen meten. We gaan daarmee wat gevoeligheid betreft zeker in de buurt van de andere experimenten komen.”
Een triomf uit experimenteel oogpunt, omdat het laat zien dat alle onderdelen van het complexe experiment – en het theoretische begrip ervan – tot op tenminste de huidige gevoeligheid begrepen zijn. Maar bescheidenheid past: deze eerste limiet is vooralsnog zo’n tienduizenden maal minder strikt dan de uitkomsten van de meest gevoelige meting tot nu toe, gedaan door een team met HfF-ionen in de VS.
Met deze eerste limiet met BaF wordt een nieuw molecuul toegevoegd aan de bestaande metingen, wat belangrijk is om de onderliggende symmetrie-schendende processen van elkaar te kunnen onderscheiden.
De Nikhef fysici zoeken naar een signaal van het elektrondipoolmoment aan de hand van elektronprecessie, het rondbewegen van de spinrotatie-as van elektronen. Deze beweging is vergelijkbaar met die van de punt van een tol die niet helemaal rechtop staat in het zwaartekrachtsveld. In het eEDM experiment neemt het elektrisch veld die rol van de zwaartekracht in.
De concurrerende experimenten hebben niet zo een gevoelige methode voor het meten van dat elektrische veld en lopen meer kans op systematische fouten, zegt Willmann. “Bij ons valt door een heel zuivere aanpak een eventuele afwijking in het veld vanzelf weg’, zegt hij.
Na de nu gepubliceerde metingen is de experimentele opstelling vorig jaar verhuisd en weer opgebouwd in het nieuwe lab. Daarbij zijn een aantal verbeteringen domolecuulbron en molecuulbundels. Dit is het resultaat van ontwikkelingen in de afgelopen jaren, het hoofdonderwerp van diverse promotieonderzoekers.
De meetmethode en de technische innovaties aan het eEDM-project gaan in de loop van volgend jaar veel gevoelige metingen van het elektron dipoolmoment opleveren, zegt programmaleider Hoekstra. “Het is fascinerend om te zien hoe deze precieze metingen aan kwantumsystemen het onderzoek binnen de deeltjes-fysica verbreden. De innovaties op het gebied van zowel de meet-technieken als de onderliggende theorie volgen elkaar snel op.”
Of hij daarmee uiteindelijk het bewijs voor een meetbaar elektron-dipoolmoment zal vinden, laat Willmann in het midden. “Het experiment is, met alles wat wij kunnen, een vraag aan die natuur. Wel of niet een dipoolmoment, het is allebei een antwoord.”
