eEDM

Elektrische dipoolmoment van het elektron

 

Onderzoekers in Groningen, onderdeel van het Nikhef-samenwerkingsverband, koelen moleculen af en manipuleren ze om de fundamentele interacties en symmetrieën te bestuderen van het Standaardmodel van de deeltjesfysica, waaronder het elektrische dipoolmoment van elektronen (eEDM).

eEDM staat voor het elektrische dipoolmoment van het elektron. Het elektron is een fundamenteel deeltje dat bekend is om zijn negatieve elektrische lading. Volgens het huidige begrip van fundamentele deeltjes, samengevat in het Standaardmodel van de deeltjesfysica, heeft het elektron ook een onmeetbaar klein dipoolmoment – ongeveer 10 ordes van grootte kleiner dan nu met de beste meetapparatuur kan worden waargenomen.

Het is echter bekend dat het Standaardmodel niet een volledige beschrijving van de natuur is. Het blijkt dat de vele theoretische uitbreidingen van het Standaardmodel, voorgesteld om de tekortkomingen van het model te corrigeren, voorspellen dat het elektron een zo groot dipoolmoment heeft dat het al bijna gemeten kan worden. Hiermee is de meting van het eEDM een bijzonder gevoelige manier om de natuurkunde voorbij het Standaardmodel te onderzoeken zonder dat er hoge energieën aan te pas komen.

Om het dipoolmoment van een elektron te bestuderen, maken Nikhef-onderzoekers gebruik van polaire moleculen die bestaan uit twee verschillende atomen die door elektromagnetische interactie met elkaar zijn verbonden en onderling een elektron delen. Het molecuul als geheel is elektrisch neutraal, wat betekent dat het niet wegvliegt als het een elektrisch veld tegenkomt. De elektronen in het molecuul daarentegen ondervinden een enorm elektrisch veld – veel groter dan in een laboratorium kan worden opgewekt. Dit versterkte interne elektrisch veld wordt gebruikt om te meten of het elektron een elektrisch dipoolmoment heeft.

Dit gebeurt met behulp van ultrastabiel laserlicht. Om te voorkomen dat de moleculen te veel bewegen, wat de nauwkeurigheid van de metingen beïnvloedt, worden speciale moleculaire koeltechnieken ontwikkeld. Het principe van grotere nauwkeurigheid bij lagere temperaturen is van toepassing op allerlei precisiemetingen. Daarom worden soortgelijke technieken toegepast voor het afkoelen van andere moleculen en atomen. Deze worden gebruikt om heel precies de schending van spiegelsymmetrie te meten, en om ultrastabiele klokken te ontwikkelen.

Het onderzoek wordt uitgevoerd aan het Van Swinderen Instituut (VSI) voor Deeltjesfysica en Gravitatie van de Universiteit van Groningen, onderdeel van het Nikhef-samenwerkingsverband. Het VSI stelt zich ten doel om de fundamentele krachten van de natuur en hun betekenis voor het heelal te bestuderen. Binnen het VSI wordt zowel theoretisch als experimenteel onderzoek gedaan, bijvoorbeeld om fundamentele symmetrieën en krachten vast te stellen, bij de Large Hadron Collider (LHC), en op het gebied van de natuurkunde voorbij het Standaardmodel, holografie, snaartheorie en kosmische inflatie. Experimenten variëren van precisiemetingen bij lage energieën, zoals hier beschreven, tot metingen bij de hoogst bereikbare energieën zoals bij de LHC. In het eEDM programma komt het experimentele en theoretische onderzoek van het VSI bij elkaar, en wordt samengewerkt met wetenschappers van de Vrije Universiteit (VU) in Amsterdam.

Fundamenteel onderzoek

Dit onderzoek is een goed voorbeeld van fundamenteel wetenschappelijk onderzoek, gericht op het vergaren van basiskennis over alles om ons heen. Aan de basis van dit type onderzoek staat nieuwsgierigheid naar hoe de wereld om ons heen in elkaar zit en hoe het is ontstaan. Veel weten we al, bijvoorbeeld dat alle materie opgebouwd is uit atomen, maar er zijn ook nog veel open vragen.

Fundamenteel onderzoek is niet gericht om op korte termijn toepassingen te realiseren. Toch is één ding zeker: niemand kan voorspellen welke baanbrekende toepassingen op termijn uit het onderzoek zullen voortkomen. De geschiedenis leert dat de fundamentele kennis van vandaag de voedingsbodem is voor de ontdekkingen van morgen.

De programmaleider van eEDM is Prof. Dr. Steven Hoekstra

Lees over eEDM in het Nikhef-Jaarverslag 2016