Instabiele atoomkernen als microlaboratoria
Kortlevende instabiele atoomkernen als microlaboratoria voor fundamenteel natuurkundig onderzoek. Dat is het idee achter het project TRImP dat de komende jaren door onderzoekers en technici van de Stichting FOM en de Rijksuniversiteit Groningen in het Kernfysisch Versneller Instituut (KVI) in Groningen zal worden gerealiseerd. Met TRImP beschikt het KVI over vijf jaar over een faciliteit die uniek is in de wereld. Met TRImP zullen de onderzoekers atomen van vrijwel ieder element in een 'val' nagenoeg tot stilstand kunnen brengen, om er vervolgens precisiemetingen aan te kunnen doen. TRImP zal de wetenschap vooruit kunnen helpen op zulke uiteenlopende terreinen als het verklaren van de ongelijke verhouding tussen materie en antimaterie in het heelal en het zichtbaar maken van stofwisselingsprocessen in het menselijk lichaam.
De wereld van de elementaire deeltjes die onderzocht wordt met de grootste versnellers ter wereld, wordt uitermate goed beschreven door een model, dat het Standaardmodel wordt genoemd. Een probleem is dat er in dat model een stuk of dertig variabele factoren of coëfficiënten zitten die allemaal een zeer specifieke en door experimenten bevestigde waarde hebben. Waarom ze die waarde hebben is echter onduidelijk. 'Dat betekent,' zegt prof.dr. Klaus Jungmann, projectleider van TRImP, 'dat we de natuurkunde achter het Standaardmodel niet goed begrijpen.' Deeltjesonderzoekers speuren daarom voortdurend naar aanwijzingen dat het Standaarmodel niet volledig is. Alleen dat wijst de weg naar de zwakke punten in het model en daarmee hopelijk naar een oplossing daarvoor.
Onvolkomenheden in Standaardmodel
Aanwijzingen voor onvolmaaktheden van het Standaardmodel zijn er. Zo is zeer onlangs bevestigd dat de verschillende typen neutrino's - tot nu toe beschouwd als massaloze neutrale deeltjes - in elkaar kunnen overgaan. Dat kan alleen maar betekenen dat neutrino's een heel klein beetje massa moeten hebben. Een andere aanwijzing is dat het magnetische gedrag van een betrekkelijk zwaar elementair deeltje, het muon, iets van de voorspelling afwijkt. Verder zit het niet helemaal lekker met de theorie die verklaart waarom er meer materie dan antimaterie in het heelal is. Deeltjesonderzoekers denken graag in termen van symmetrie. Meer materie dan antimaterie betekent een verstoorde symmetrie. Het theoretisch raamwerk dat deze symmetrieschending beschrijft, is de afgelopen jaren experimenteel getoetst. De geconstateerde schending blijkt minder groot dan vereist. Dit betekent dat de symmetrieschending niet goed beschreven is of dat de theorie van de oerknal niet helemaal correct is geformuleerd.
Kortlevende isotopen
Al deze effecten zijn uitermate klein en alleen te onderzoeken met enorm nauwkeurige metingen. Daarvoor zijn niet per se geweldig grote deeltjesversnellers en deeltjes met heel veel energie nodig. Sommige van die effecten treden ook op bij deeltjes met relatief lage energie. Daarvoor is dan wel de hulp nodig van atoomkernen die heel instabiel zijn en daarom maar kort bestaan. Dit zijn kortlevende radioactieve isotopen. Isotopen zijn gewichtsvarianten van atomen van hetzelfde element. Ze hebben een verschillende massa, maar hun chemische eigenschappen zijn gelijk. Een voorbeeld is koolstof-14. Dat is scheikundig volkomen gelijk aan het alom aanwezige iets lichtere koolstof-12. Radioactieve isotopen zijn niet stabiel. Door een kernproces dat radioactief verval heet, raken de zwaardere isotopen iets van hun massa kwijt en worden een lichtere variant van een ander element. Bij sommige isotopen gaat dat uitermate langzaam, bij andere veel sneller. Een maat daarvoor is de zogeheten halfwaardetijd. Dat is de tijd waarin de helft van het aantal deeltjes is vervallen. Een speciaal type radioactief verval, het zogenaamde bèta-verval, heeft te maken met één van de fundamentele krachten in de natuur, de zogeheten zwakke wisselwerking. In een van de met TRImP geplande experimenten met gevangen radioactieve isotopen wordt naar kleine verschillen gezocht in de richtingen waarin de deeltjes worden uitgezonden. Hoe sneller het verval gaat, hoe meer signaal er is en dus hoe sneller er meetbare resultaten te krijgen zijn. Daarom zijn kortlevende isotopen interessant.
Opzet van het project
Het KVI is in het bezit van een deeltjesversneller (AGOR) die de grondstof levert voor de isotopen. AGOR kan in principe alle elementen uit het periodiek systeem versnellen. Isotopen voor experimenten met TRImP worden gemaakt door ionen van een geschikt element met AGOR te versnellen en vervolgens door een bepaald materiaal te schieten. In het geval van lichte atomen bijvoorbeeld is dat een laagje waterstofgas. Direct daarna worden de verschillende isotopen gescheiden en afgeremd. Vervolgens komen ze terecht in een val waar ze langere tijd kunnen worden vastgehouden en bestudeerd. Bij TRImP zal men beginnen met een zogeheten magneto-optische val (MOT), want daar bestaat op het KVI ervaring mee. In een MOT worden de deeltjes uitsluitend met behulp van laserlicht gevangen.
TRImP is alleen mogelijk omdat AGOR onmiddellijk in de buurt staat. 'Langlevende isotopen kun je zo kopen,' zegt Jungmann, 'maar met kortlevende isotopen kun je alleen werken als je ze ook ter plaatse kunt maken.' Kortlevend betekent in dit geval een halfwaardetijd van seconden tot minuten. Met isotopenbundels van 100 miljoen deeltjes per seconde levert dit voldoende gebeurtenissen op voor een bruikbaar signaal en hoef je anderzijds niet heel lang te meten. In het algemeen gaat langer dan enkele dagen meten ten koste van de meetprecisie.
TRImP zal in fases worden gebouwd. Het instrumentarium voor het scheiden en afremmen van de isotopen moet eind 2003 in bedrijf zijn. Het eerste demonstratie-experiment in de magneto-optische val staat voor over vier jaar op het programma.
Met TRImP meten aan zwakke wisselwerking
In een magneto-optische val staan de deeltjes ten opzichte van elkaar vrijwel stil. Er zijn daarom geen verstorende heftige botsingen tussen de deeltjes. Wanneer een radioactief deeltje vervalt, zendt het onder verschillende hoeken een elektron en een neutrino uit en ondervindt de kern van het deeltje een kleine terugstoot. Dat kan in de val van TRImP ongestoord worden gemeten. Omdat de zwakke wisselwerking één van de fundamenten van het Standaardmodel is, toetsen deze metingen dit model met grote nauwkeurigheid. Later zal er bij TRImP nog een ander type val worden gebouwd, een zogeheten Penningval. Die kan zeer nauwkeurige massametingen doen en daarmee de structuur van de atoomkernen in kwestie heel precies bepalen. Die informatie is bijvoorbeeld nodig om de metingen aan de eerder genoemde symmetrieschending goed te kunnen begrijpen.
Niet alleen zuiver fundamenteel werk
Met TRImP wordt het niet alleen mogelijk heel nauwkeurig aan die kortlevende isotopen te meten, maar ook om ze in geweldig lage concentraties te kunnen aantonen. Het gaat dan om één isotoop op 10 miljoen maal een miljard andere atomen. Voor het meten hiervan is de atoomfysicagroep van het KVI alvast begonnen met het bouwen van een zeer gevoelig apparaat. Dit biedt op termijn interessante toepassingen in ouderdomsbepaling van stoffen of medisch onderzoek. Het wordt bijvoorbeeld mogelijk te volgen hoe calcium uit melk in het lichaam wordt opgenomen. In melk is 1 op de 10 miljoen miljard calciumatomen het isotoop Ca-41. Dat kan worden bepaald in monsters die men ter plaatse neemt. 'Ik kan me voorstellen,' zegt Jungmann, 'dat dit voor osteoporose-onderzoek interessant is.' Ook andere toepassingen zijn denkbaar. Zo kunnen met langzame radioactieve isotopen oppervlakken van vaste stoffen bestudeerd worden.
Meer info: prof.dr. Klaus Jungmann, KVI, e-mail jungmann@kvi.nl.
Zie ook http://www.kvi.nl.