Onder de Italiaanse berg Gran Sasso bevindt zich het experiment OPERA, dat afgelopen najaar meldde te hebben vastgesteld dat neutrino’s sneller dan het licht van Zwitserland naar Italië zouden zijn gereisd. Maar in hetzelfde lab bevindt zich nog een aantal andere experimenten die zich met neutrino’s bezighouden. En een van die experimenten, ICARUS, meldt nu dat volgens hun metingen de neutrino’s zich vorig jaar netjes aan Einsteins snelheidslimiet hebben gehouden.
Afgelopen zaterdag maakte ik mijn radiodebuut: een kort interviewtje over kernfusie op Radio Noordoostpolder, naar aanleiding van mijn twaalf pagina’s tellende artikel in het afgelopen vrijdag verschenen nummer van KIJK. Nieuwsgierig? Ga naar deze pagina en beluister het eerste uur van het programma (bovenste playertje), vanaf 3000. (Alleen deze week te beluisteren, neem ik aan, dus wacht niet te lang…)
Zoals een atoom waterstof bestaat uit een proton en een elektron, zo bestaat een atoom antiwaterstof uit een antiproton en een anti-elektron. Graag zouden natuurkundigen allerlei metingen aan zo’n antiwaterstofatoom verrichten, om te zien of het zich hetzelfde gedraagt als een gewoon waterstofatoom. Helaas is dat in de praktijk erg lastig. Als een antimateriedeeltje in contact komt met het corresponderende gewone deeltje, verdwijnen namelijk ze allebei.
Antiwaterstof is daarom geen lang leven beschoren, tenzij je het op de een of andere manier bij gewone materie uit de buurt weet te houden. Dat kan bijvoorbeeld met behulp van een antimaterieval, die gebruikmaakt van magnetische velden om antideeltjes in het luchtledige te laten hangen. Dat laatste lukt inmiddels heel aardig; afgelopen zomer meldden we dat het CERN-experiment ALPHA er met zo’n magnetische val in was geslaagd antiwaterstofatomen maar liefst zestien minuten te laten bestaan.
Nu laat hetzelfde team in Nature opnieuw van zich horen. De reden: het is de natuurkundigen gelukt om antiwaterstofatomen uit de val te laten zweven. Hoe? Door met microgolven de spin van het anti-elektron, die de waarde ‘op’ of ‘neer’ kan hebben, om te klappen naar de andere mogelijke waarde. Daardoor verandert het antiwaterstofatoom van een deeltje dat de plek opzoekt waar het magnetisch veld het zwakst is (oftewel: het midden van de val), in een deeltje dat juist beweegt naar waar dat veld het sterkst is (oftewel: de val uit).
Eerder plaatste ik op de KIJK-site een nieuwsberichtje over waterstofatomen gemaakt met de Italiaanse deeltjesversneller DAFNE (1), waarvan de kernen bestonden uit één proton, vier neutronen en een neutron-achtig deeltje met een strange-quark erin. (Normaal bestaat een waterstofkern uit één proton en verder niets, dus het betreft hier een nogal extreme variant op het meestvoorkomende element van ons universum.) Tijdens het researchen van het betreffende bericht stuurde ik een mail naar één van de onderzoekers, Elena Botta, die echter niet gelijk kon reageren op mijn vragen. Een paar dagen later deed ze dat alsnog, waardoor ik een beter beeld kreeg van de vorming van zwaarlijvige waterstofatomen.
Onze zon draait er zijn hand niet voor om: kernfusie. In zijn binnenste wordt continu waterstof samengesmolten tot helium. En de energie die daarbij vrijkomt, houdt deze ster al miljarden jaren aan het branden. Ondertussen behelpen wij ons hier op aarde met kolen, olie, gas, wind, water en zonlicht als bronnen van energie. En we splitsen atomen in kerncentrales, waarbij we radioactief afval op de koop toe nemen. Maar wat als wij het trucje van de zon ook hier op aarde konden uitvoeren? Hebben we dan de ultieme energiebron, die zowel schoon en onuitputtelijk is?
Lees op de KIJK-site alvast een voorproefje van mijn twaalf pagina’s (!) tellende coverartikel over kernfusie. Te verschijnen in het komende nummer van KIJK, vanaf vrijdag 9 maart in de winkel.
Gisteren had natuurkundige Leo Kouwenhoven van de TU Delft een mooi nieuwtje voor de bezoekers van een bijeenkomst van de American Physical Society. Aan het einde van zijn praatje vatte hij zijn verhaal samen met de woorden: “Hebben we een Majoranafermion gezien? Ik zou zeggen dat het antwoord op die vraag een voorzichtig ‘ja’ is.” Dat klinkt natuurlijk cool, en een nieuwsbericht van Nature over de aankondiging werd gisteravond onder wetenschapsfanaten dan ook flink gedeeld op Twitter. Maar wat is in godsnaam een Majoranafermion?
Er zijn wat zaken te verduidelijken rond de neutrino’s die al dan niet sneller dan het licht van Zwitserland naar Italië zijn gereisd. Zoals het idee dat ik af en toe zie opduiken dat de deeltjes waar het om gaat uit de LHC zouden komen. Dat klopt niet; verantwoordelijk voor de neutrinobundel is het project CNGS, een afkorting van CERN Neutrinos to Gran Sasso, dat geen gebruikmaakt van de LHC, maar van een kleinere en oudere deeltjesversneller op CERN: de Super Proton Synchrotron (SPS). (1)
Na de soms nogal spottende manier waarop de al-dan-niet-sneller-dan-het-licht-neutrino’s afgelopen week weer in de belangstelling zijn komen te staan, lijkt het me goed om even in herinnering brengen hoe het nieuws van de neutrino’s vorig jaar precies voor het voetlicht is gebracht. Dat was namelijk, kort samengevat, met de boodschap: ‘Wij van het OPERA-experiment hebben iets geks gevonden, wij kunnen het niet verklaren, kijken jullie er eens naar.’
Brian Cox, de knapperd die met name in Groot-Brittannië natuur- en sterrenkunde met zoveel succes populariseert, maakte onlangs in een praatje het volgende punt:
Volgens het uitsluitingsprincipe van Pauli kunnen geen van de elektronen in het heelal precies hetzelfde energieniveau hebben. Maar dat heeft een heel vreemd gevolg. Kijk, ik pak nu deze diamant en verwarm hem een beetje tussen mijn handen. Zo stop ik er een beetje energie in, en daarmee beweeg ik de elektronen in het rond. Sommige van die elektronen springen daardoor naar andere energieniveaus. Maar deze verandering in de elektronenconfiguratie in de diamant heeft gevolgen, omdat alle elektronen in het heelal zich aan Pauli moeten houden. Daarom moet elk elektron rond elk atoom in het heelal zich verplaatsen terwijl ik deze diamant verwarm, om ervoor te zorgen dat geen ervan in hetzelfde energieniveau belanden. Wanneer ik deze diamant verwarm, veranderen alle elektronen in het heelal gelijktijdig maar onmerkbaar hun energieniveaus. Dus alles is verbonden met alles.
Toegegeven, het is alweer een tijdje geleden dat ik me met quantummechanica heb beziggehouden, maar dit lijkt me toch echt onzin. Twee elektronen die bij hetzelfde atoom horen, kunnen niet precies dezelfde quantumtoestand hebben volgens het uitsluitingsprincipe van Pauli; dat klopt. (Ze kunnen overigens wel hetzelfde energieniveau hebben, in tegenstelling tot wat Cox zegt, als ze maar een tegengestelde spin hebben.) Twee elektronen die daarentegen bij verschillende (en niet aan elkaar gebonden) atomen horen, hebben sowieso nooit dezelfde quantumtoestand. Een verandering van de quantumtoestand van de een dwingt dus nooit, via het uitsluitingsprincipe van Pauli, de ander van energieniveau te veranderen.
Normaal gesproken bestaat de kern van een waterstofatoom uit één proton en verder niets. Zit daar een neutron bij, dan spreken we van ‘zwaar waterstof’, of deuterium. Voeg je daar een tweede neutron aan toe, dan krijg je tritium, of, zo je wil, superzwaar waterstof. Maar Italiaanse natuurkundigen hebben nu tekenen gevonden van een deeltje dat nog een paar stappen verder gaat: een waterstofkern die bestaat uit één proton, vier neutronen én een extra zware variant op het neutron. Een deeltje dus dat je met recht waterstof met flinke obesitas kunt noemen.