Nieuwe deeltjes maken met laserlicht

Dat licht invloed heeft op materie weet iedereen uit het dagelijkse leven. In zonlicht wordt onze huid bruin en warm (en bij velen van ons het humeur optimaal). Voor bomen, planten en mensen is de wisselwerking van het zonlicht met de materie zelfs onontbeerlijk om te overleven. Het oog, voor de mens en voor vele andere wezens het belangrijkste orgaan, is helemaal gebaseerd op de wisselwerking tussen licht en materie. Een van de effecten van licht is dat de energiepakketjes - fotonen genoemd - waaruit licht bestaat een kracht uitoefenen op de elektronen in de atomen waaruit de materie bestaat. De kracht van de lichtbronnen die we normaal kennen (de zon, gloeilampen, tl-buizen) is verwaarloosbaar klein ten opzichte van andere krachten die in atomen werken. In zeer intense laserbundels verandert dat echter drastisch.

De kracht van licht
Als een atoom beschenen wordt met licht werken er drie krachten op de elektronen van dit atoom. In de eerste plaats is er de aantrekkende elektrostatische kracht tussen de positief geladen atoomkern en de negatief geladen elektronen. Vervolgens is er de afstotende elektrostatische kracht tussen de elektronen en tenslotte is er de kracht van het licht dat op de elektronen werkt. De kracht van het licht is afhankelijk van de intensiteit ervan. De intensiteit wordt bepaald door het aantal fotonen in de lichtbundel. Hoe een atoom op het licht reageert, hangt niet alleen van de intensiteit, maar ook van de kleur af. De kleur wordt bepaald door de hoeveelheid energie van de fotonen. Atomen kunnen slechts in bepaalde toestanden verkeren. Die toestanden worden gekenmerkt door de bewegingen van de elektronen in het atoom en dus door een verschil in energie, aangezien beweging een vorm van energie is. Een atoom kan van de ene toestand in de andere komen door energie (fotonen) op te nemen of af te staan. De kans dat het lukt om fotonen op te nemen is groter naarmate er meer fotonen zijn, dus de intensiteit van het licht groter is. De energiesprong die een atoom moet maken vertaalt zich in de energie van de fotonen die het opneemt en dus in de kleur van het licht. Nu hebben die energiesprongen geen willekeurige waarden, maar slechts een beperkt aantal nauw bepaalde waarden. Het is alsof het atoom, wanneer het beschenen wordt, voor een stoplicht staat en selectief reageert op de kleur die het ziet en vervolgens wel of geen energie opneemt en dus zijn elektronen wel of niet in beweging zet.

Elektronen dresseren
De situatie verandert drastisch wanneer het atoom beschenen wordt met een laser die voor zo'n lichtintensiteit zorgt, dat de kracht van het licht groter wordt dan de elektrostatische kracht. Dan verliezen de elektrostatische krachten hun gebruikelijke overheersende rol en kunnen de elektronen bewegingen gaan uitvoeren die ze normaal niet maken. Van belang is om te ontdekken of er in zo'n intense laserbundel stabiele atoomtoestanden kunnen ontstaan. Alleen dan is sprake van een 'nieuw' deeltje.

Van Duijn heeft gerekend aan meervoudig negatief geladen waterstofionen. Dat soort ionen komt van nature niet voor, maar zou alleen onder invloed van licht kunnen ontstaan. Het simpelste soort, het H^2--ion, bestaat uit één positief geladen proton in de kern en drie negatief geladen elektronen eromheen. De essentie is dat het licht de elektronen zodanig kan laten bewegen dat ze één voor één gedurende een korte periode dichtbij het proton zijn, zodat ze niet uit het atoom ontsnappen, terwijl ze door een grote onderlinge afstand elkaar nauwelijks meer afstoten. Het licht dresseert als het ware de elektronen. Bij deze dressuur is het van belang dat de elektronen heel snel langs het proton bewegen, zodat ze niet aan het proton kunnen blijven 'plakken'. Als dat laatste wel gebeurt, lopen de elektronen de kans dat ze door het proton uit het atoom worden gegooid, wat nu net niet de bedoeling is. Om het plakken te voorkomen moet de kleur van het laserlicht violet zijn. Naarmate de intensiteit van het laserlicht toeneemt, wordt de gemiddelde afstand tussen de elektronen onderling groter en zitten ze gemiddeld een kortere tijd heel dicht bij het proton. Cruciaal voor het ontstaan van stabiele toestanden van H2- is het feit dat - naarmate deze afstanden toenemen - de afstotende kracht tussen de elektronen onderling sneller afneemt dan de aantrekkende kracht tussen de elektronen en het proton. Bij toenemende intensiteit zal er dus een moment zijn waarop de aantrekkende krachten in het ion het winnen van de afstotende krachten, waardoor er een stabiele toestand ontstaat van het H2--ion. In zijn onderzoek toont Van Duijn aan dat zo'n toestand mogelijk is. Er kunnen dus - in theorie - in een bundel intens laserlicht stabiele nieuwe deeltjes worden gemaakt. Het is nu aan de experimentatoren om te zien of die deeltjes ook echt geproduceerd kunnen worden.

Toekomst?
Het vakgebied waarin Van Duijn werkt is heel nieuw. Ideeën over het soort deeltjes waaraan hij heeft gerekend zijn pas de laatste jaren ontstaan onder invloed van de zich zeer snel ontwikkelende lasertechnologie. Het is nog maar sinds kort mogelijk de uiterst intense laserbundels te maken om experimenten op dit terrein te doen. Misschien legt het vakgebied wel de basis voor een geheel nieuw type plasmabundels, maar niemand kan dat nu voorspellen.

Voor meer informatie kan men contact opnemen met drs. Ernst van Duijn of zijn promotor prof.dr. Harm Geert Muller, beiden FOM-Instituut AMOLF, telefoon (020) 608 12 34.