Een team wetenschappers is erin geslaagd te experimenteren met pionisch helium, een variant op helium waarbij een van de elektronen is vervangen door een pion, een ander subatomair deeltje.
Het klinkt als een wat gekke hobby van natuurkundigen: neem een atoom – oftewel: een atoomkern omringd door een of meer elektronen – en vervang vervolgens één zo’n elektron door een zwaarder deeltje. Eerder lukte dat onderzoekers van het Duitse Max Planck-instituut voor Quantumoptica al met waterstof en het muon, een deeltje dat zo’n tweehonderd keer zoveel weegt als een elektron. Nu hebben wetenschappers van hetzelfde instituut het trucje herhaald met helium en een negatief geladen pion; een deeltje dat is opgebouwd uit een quark en een antiquark.
Als ze het maken van dit soort exotische atomen nog beter onder de knie krijgen, kunnen ze daarmee de massa van het pion bepalen met een grotere precisie dan ooit.
Uiteenvallende kern
Nu zou je zeggen: houd het bij zo’n experiment simpel en ga aan de slag met waterstof, het eenvoudigste atoom dat er maar is. Helaas is pionisch waterstof – oftewel: een enkel proton vergezeld door een pion – geen lang leven beschoren. Al na minder dan een biljoenste van een seconde dondert het pion uit zijn baan om met het proton samen te gaan. Volgens berekeningen zouden er echter bepaalde vormen van pionisch helium moeten bestaan die het duizend keer langer uit moeten houden. Nog steeds hebben we het dan over een levensduur van luttele nanoseconden (een miljardste van een seconde) maar dat levert nét genoeg tijd op om met dit soort atomen te kunnen experimenteren.
Natuurkundige Masaki Hori en collega’s voerden hun experiment als volgt uit. Allereerst richtten ze een bundel protonen uit een deeltjesversneller op een doelwit van koolstof, om zo pionen te creëren. Die pionen stuurden ze vervolgens naar een kleine cilinder gevuld met helium. Grofweg een op de veertig pionen zou in die cilinder voldoende snelheid moeten kwijtraken om de plek in te kunnen nemen van een van de twee elektronen die zich aan de buitenkant van een heliumatoom bevinden.
Vervolgens stuurden de onderzoekers laserpulsen het helium in. Een lichtdeeltje uit zo’n laser kan namelijk het pion in een pionisch heliumatoom ertoe bewegen zich naar een lagere baan te begeven. Dat leidt er vervolgens weer toe dat het overgebleven normale elektron het atoom uit wordt getrapt, terwijl het pion zelf wordt opgenomen door de atoomkern – die prompt uiteenvalt.
Duwtje van het laserlicht
Het bovenstaande proces vindt echter alleen plaats als de laser precies de juiste golflengte heeft. ‘De experimentator verandert dus steeds de golflengte van het laserlicht een beetje’, legt Hori uit. ‘Bij elke golflengte meten we dan of het pion van de ene baan naar de andere springt.’ Bij een golflengte van 183.760 gigahertz bleek het raak te zijn: bij dat soort laserlicht waren er tekenen te zien van uit elkaar vallende atoomkernen – en dus van pionen die na een ‘duwtje’ van het laserlicht naar de kern toe waren gekukeld.
Als je weet welke frequentie je moet gebruiken om het pion zijn grote sprong te laten wagen, weet je ook wat het energieverschil is tussen de ‘hoge’ en de ‘lage’ baan van het pion. ‘En daar kun je weer met grote precisie de massa van het pion uit afleiden’, zegt Hori.
Stuiterende atomen
Helaas zal dat laatste resultaat nog even op zich laten wachten. ‘In ons experiment botst het pionisch helium continu met andere heliumatomen’, legt Hori uit. En door al dat gestuiter is de frequentie die de laser moet hebben niet met voldoende grote nauwkeurigheid te bepalen om er een heel precieze pionenmassa uit te kunnen halen.
‘Om de hoeveelheid botsingen terug te dringen, moeten we pionisch helium zien te creëren in helium met een lagere dichtheid’, vervolgt Hori. ‘Maar dat is lastig, want de pionen waarmee we werken, hebben snelheden in de buurt van die van het licht. Om die voldoende te kunnen vertragen, hebben we juist een materiaal nodig met een hóge dichtheid.’ Toch verwacht de natuurkundige stappen in de goede richting te kunnen zetten in toekomstige experimenten.
Van pion naar kaon
Ondertussen droomt Hori al verder over andere, nóg exotischere atomen. Zou je in plaats van een pion ook een kaon de rol van een elektron kunnen laten spelen bij een heliumatoom? Zo’n kaon hoort tot dezelfde deeltjesfamilie als het pion, maar waar het pion bestaat uit up- en downquarks – oftewel: de quarks waar ook protonen en neutronen van zijn gemaakt – bevat het kaon een strangequark. ‘Dat zou een nóg moeilijker experiment zijn dan we hebben gedaan met pionisch helium. Maar het zou wel erg interessant zijn, want de massa van het kaon kennen we erg slecht.’
