Delen?
Steven Hoekstra is experimenteel natuurkundige aan de Rijksuniversiteit Groningen. Hij onderzoekt de deeltjesfysica buiten het standaardmodel. Het standaardmodel beschrijft alle elementaire deeltjes en de onderlinge wisselwerking. "We weten dat het niet compleet is. Maar de zoektocht naar de ontbrekende informatie is op verschillende manieren mogelijk."
Zijn collega's bij de deeltjesversneller van CERN in Zwitserland laten deeltjes op hoge snelheid tegen elkaar botsen, zodat ze kapot gaan. Zo ontdekken zij wellicht nieuwe deeltjes. Hoekstra's onderzoeksmethode is heel anders. Het onderzoeksteam van Steven Hoekstra gebruikt in plaats van een deeltjesversneller een deeltjesvertrager. “Ik onderzoek moleculen door de snelheid waarmee ze bewegen, met een elektrisch veld onder extreem lage temperaturen steeds verder te verlagen tot ze uiteindelijk zelfs stilstaan. Ik maak ze dus niet stuk. Vervolgens kan ik de samenstelling met behulp van laserlicht heel nauwkeurig bestuderen.”
Ieder molecuul heeft een eigen lichtspectrum, een herkenbare 'vingerafdruk'. Door moleculen met licht af te tasten, kun je het spectrum van een molecuul aflezen. “Als dit spectrum afwijkt van wat het standaardmodel voorspelt, dan is dat een belangrijke ontdekking”, zegt Hoekstra.
Experimenteel lab
In het experimentele lab in Groningen staat een grote metalen buis van vijf meter lang en met een diameter van een halve meter. Daarbinnen bevindt zich de deeltjesvertrager, die door het onderzoeksteam zelf is gebouwd. Heel simpel gezegd duwt Hoekstra moleculen van bariumfluoride door die buis waarna hij ze kan onderzoeken met behulp van laserlicht. Hij is vooral geïnteresseerd in de elektronen die in de moleculen voorkomen. Het vermoeden bestaat namelijk dat het elektron niet perfect symmetrisch en rond is, zoals algemeen door natuurkundigen wel wordt aangenomen. Zo staat het ook in het standaardmodel beschreven.
Een aantal nieuwe theorieën voorspellen echter een asymmetrische verdeling van de elektrische lading van het elektron. Het gevolg daarvan is dat het elektron een beetje ei-vormig zou zijn in plaats van perfect rond. Als dit bevestigd wordt in het experiment, dan weet hij zeker dat er nog iets ontbreekt in het standaardmodel. En dat brengt hem dichter bij het oplossen van een van de puzzelstukjes van de oerknal.
Oerknal
Uit de oerknal is alle materie ontstaan waaruit het universum is opgebouwd. Daarin draait alles om symmetrie. Ieder deeltje heeft een anti-deeltje. Als die twee deeltjes elkaar tegenkomen, komt energie vrij in de vorm van een lichtflits. Er blijft verder niets over. Toch vinden we in het universum veel materie, maar nauwelijks anti-materie. Waar is die anti-materie gebleven, en waarom is er nog zo veel materie? Een mogelijk antwoord is dat er bij het ontstaan van het universum sprake is geweest van veel meer asymmetrie dan het standaardmodel toestaat. Dat zouden we nu nog terug moeten kunnen vinden in de asymmetrie van het elektron. Voor Hoekstra is het de vraag hoe nauwkeurig hij moet meten tot hij iets ontdekt. “Met onze vertrager willen we 10 keer tot 100 keer gevoeliger meten dan nu mogelijk is.”
Nieuwsgierigheid
Die precisiemetingen worden in Groningen gedaan door een team van ongeveer twintig mensen.
Voor dit fundamentele onderzoek kreeg het team van Steven Hoekstra in 2017 van de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) een subsidie van zo'n 2,7 miljoen euro. “Mijn drijfveer voor dit onderzoek is nieuwsgierigheid. De mens bestaat uit materie. En dat kunnen we eigenlijk niet verklaren.”
Zijn collega's bij de deeltjesversneller van CERN in Zwitserland laten deeltjes op hoge snelheid tegen elkaar botsen, zodat ze kapot gaan. Zo ontdekken zij wellicht nieuwe deeltjes. Hoekstra's onderzoeksmethode is heel anders. Het onderzoeksteam van Steven Hoekstra gebruikt in plaats van een deeltjesversneller een deeltjesvertrager. “Ik onderzoek moleculen door de snelheid waarmee ze bewegen, met een elektrisch veld onder extreem lage temperaturen steeds verder te verlagen tot ze uiteindelijk zelfs stilstaan. Ik maak ze dus niet stuk. Vervolgens kan ik de samenstelling met behulp van laserlicht heel nauwkeurig bestuderen.”
Ieder molecuul heeft een eigen lichtspectrum, een herkenbare 'vingerafdruk'. Door moleculen met licht af te tasten, kun je het spectrum van een molecuul aflezen. “Als dit spectrum afwijkt van wat het standaardmodel voorspelt, dan is dat een belangrijke ontdekking”, zegt Hoekstra.
Experimenteel lab
In het experimentele lab in Groningen staat een grote metalen buis van vijf meter lang en met een diameter van een halve meter. Daarbinnen bevindt zich de deeltjesvertrager, die door het onderzoeksteam zelf is gebouwd. Heel simpel gezegd duwt Hoekstra moleculen van bariumfluoride door die buis waarna hij ze kan onderzoeken met behulp van laserlicht. Hij is vooral geïnteresseerd in de elektronen die in de moleculen voorkomen. Het vermoeden bestaat namelijk dat het elektron niet perfect symmetrisch en rond is, zoals algemeen door natuurkundigen wel wordt aangenomen. Zo staat het ook in het standaardmodel beschreven.
Een aantal nieuwe theorieën voorspellen echter een asymmetrische verdeling van de elektrische lading van het elektron. Het gevolg daarvan is dat het elektron een beetje ei-vormig zou zijn in plaats van perfect rond. Als dit bevestigd wordt in het experiment, dan weet hij zeker dat er nog iets ontbreekt in het standaardmodel. En dat brengt hem dichter bij het oplossen van een van de puzzelstukjes van de oerknal.
Oerknal
Uit de oerknal is alle materie ontstaan waaruit het universum is opgebouwd. Daarin draait alles om symmetrie. Ieder deeltje heeft een anti-deeltje. Als die twee deeltjes elkaar tegenkomen, komt energie vrij in de vorm van een lichtflits. Er blijft verder niets over. Toch vinden we in het universum veel materie, maar nauwelijks anti-materie. Waar is die anti-materie gebleven, en waarom is er nog zo veel materie? Een mogelijk antwoord is dat er bij het ontstaan van het universum sprake is geweest van veel meer asymmetrie dan het standaardmodel toestaat. Dat zouden we nu nog terug moeten kunnen vinden in de asymmetrie van het elektron. Voor Hoekstra is het de vraag hoe nauwkeurig hij moet meten tot hij iets ontdekt. “Met onze vertrager willen we 10 keer tot 100 keer gevoeliger meten dan nu mogelijk is.”
Nieuwsgierigheid
Die precisiemetingen worden in Groningen gedaan door een team van ongeveer twintig mensen.
Voor dit fundamentele onderzoek kreeg het team van Steven Hoekstra in 2017 van de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) een subsidie van zo'n 2,7 miljoen euro. “Mijn drijfveer voor dit onderzoek is nieuwsgierigheid. De mens bestaat uit materie. En dat kunnen we eigenlijk niet verklaren.”