Natuurkundigen hebben de druk van een enkel deeltje gemeten

Onderzoekers zijn erin geslaagd de druk van afzonderlijke deeltjes te meten met een apparaat waarin een minuscuul bolletje in een laserstraal zweeft. Mogelijk kan deze bijzondere druksensor helpen bij de zoektocht naar donkere materie.

Natuurkundigen hebben voor het eerst de druk gemeten van afzonderlijke deeltjes. Dat is gelukt dankzij een apparaat waarin een klein bolletje in een laserstraal hangt. Het apparaat is zo gevoelig dat natuurkundigen hopen dat het kan helpen bij het opsporen van ongrijpbare deeltjes, zoals het spul waar donkere materie uit bestaat.

Samen sterk

Druk ontstaat als deeltjes tegen een oppervlak botsen en er zo gezamenlijk een kracht op uitoefenen. Meestal gaat het om een gemiddeld effect van alle deeltjes samen. Maar op plekken waar de druk extreem laag is, zoals in een bijna perfect vacuüm, is het nodig om de druk van elk deeltje afzonderlijk te meten.

LEES OOK

'We houden geen enkele planetoïde geheim, want dan vertrouwt niemand ons meer'

Als astronomen een planetoïde ontdekken die op ramkoers lijkt te liggen met de aarde, bepalen ze het risiconiveau met behulp van de schaal van Torino ...

Het team van natuurkundige Yu-Han Tseng van de Amerikaanse Yale-universiteit heeft nu het eerste apparaat gebouwd dat zo’n meting kan uitvoeren. Het belangrijkste onderdeel van de machine is een minuscuul bolletje van siliciumdioxide. Dit bolletje, dat half zo groot is als sommige virussen, wordt op zijn plaats gehouden door een laserstraal. Als een enkel deeltje op het bolletje botst, weerkaatst het een beetje licht, dat het apparaat vervolgens detecteert.

Het team zette het apparaat in een ultrahoog vacuüm en stuurde vervolgens deeltjes van drie verschillende gassen naar binnen. Ze maten de beweging van het bolletje als de gasdeeltjes erop botsten en berekenden de druk op basis van die metingen. Toen ze de resultaten daarvan vergeleken met de druk die de theorie voorspelt, vonden ze dezelfde waarde. Het apparaat deed dus wat het moest doen.

‘Alles moet goed gaan om deze meting te laten werken’, zegt Tseng. ‘Toen we alles zorgvuldig genoeg deden, was de meting prachtig.’

‘We kijken zelden naar botsingen van individuele deeltjes’, zegt natuurkundige Joseph Kelly van King’s College London in het Verenigd Koninkrijk. ‘Gewoonlijk worden hun effecten alleen gemiddeld waargenomen, een beetje zoals een snel object wazig lijkt op een foto met een lange belichtingstijd.’

Leeg heelal

Teamlid Clarke Hardy, eveneens een Yale-natuurkundige, zegt dat het nieuwe apparaat gebruikt kan worden om druk te meten in een verder bijna lege ruimte. Daar kun je geen gewone druksensoren voor gebruiken, want die geven simpelweg nul aan. ‘Je kunt het aantal botsingen tellen, en dat is voldoende om een schatting te maken van de druk in extreme vacuümomstandigheden’, zegt hij. Het apparaat kan zelfs helpen om op een nieuwe manier te definiëren wat als een extreem hoog vacuüm geldt.

Animesh Datta van de Universiteit van Warwick in het Verenigd Koninkrijk heeft al eens soortgelijke apparaten ontworpen. Hij stelt dat ze zinvol zijn voor de astronomie. Ze kunnen bijvoorbeeld de lege ruimte tussen sterren beter onderzoeken, door gasdeeltjes te detecteren die andere sensoren over het hoofd zouden zien.

Het team heeft zelf nog een ander doel voor ogen. Ze willen hun apparaat gebruiken om ‘steriele neutrino’s’ te meten: kleine deeltjes die zich alleen wat aantrekken van de zwaartekracht en de andere natuurkrachten negeren. Natuurkundigen weten nog niet zeker of deze deeltjes bestaan, maar als ze er zijn, kunnen ze vreemde metingen uit deeltjesexperimenten verklaren. Ook kunnen ze de bouwstenen zijn van donkere materie, een mysterieus goedje in het universum dat we niet kunnen zien, maar wel zwaartekracht uitoefent op zijn omgeving.