Deeltjes snelheidslimiet heelal - Higgsveld

Deeltjes zoeken ultieme snelheidslimiet op

Net als sporters records vestigen, vergen onderzoekers het uiterste van deeltjes. Uit proeven blijkt dat geluid een absolute topsnelheid heeft en dat licht mogelijk in te halen is. En aan het andere uiteinde hebben wetenschappers atomen bijna stil laten staan.

Net als sporters records vestigen, vergen onderzoekers het uiterste van deeltjes. Uit proeven blijkt dat geluid een absolute topsnelheid heeft en dat licht mogelijk in te halen is. En aan het andere uiteinde hebben wetenschappers atomen bijna stil laten staan.

Shutterstock / Lotte Fredslund

De afgelopen jaren hebben natuurkundigen regelmatig de snelheidsgrenzen van het heelal benaderd en zelfs uitgedaagd. Zo toonden wetenschappers aan dat deeltjes theoretisch het licht kunnen inhalen en stelden ze vast hoe weinig tijd een foton nodig heeft om door een waterstofmolecuul te gaan.

Het zogeheten Higgsveld bepaalt de fysieke maximumsnelheid van deeltjes.

Dit veld hangt als een soort spinnenweb in de ruimte. Deeltjes worden erdoor gevangen, en het geeft alle atomaire bouwstenen hun massa. Hoe sterker een deeltje zich aan het veld hecht, hoe zwaarder het wordt.

Quarks, waaruit protonen en neutronen in atoomkernen bestaan, hechten zich sterk aan het magnetisch veld en zijn zwaar. Elektronen en neutrino’s hebben een zwakkere koppeling en zijn dus lichter.

De kracht van de koppeling bepaalt de topsnelheid. Het kosmische spinnenweb kleeft het sterkst aan zware deeltjes en vertraagt die meer dan lichte deeltjes.

Doordat lichtdeeltjes, fotonen, massaloos zijn, heeft het Higgsveld er geen invloed op. Daarom raast het licht voort met 299.792.458 m/s, de snelheidslimiet van het heelal. Maar in de vreemde kwantumwereld kunnen deeltjes het licht voorbijsnellen in zogeheten kwantumtunnels.

1. Snelste deeltjes

Deeltjes snelheidslimiet heelal - rubidium

Rubidiumatomen zijn bij proeven een kwantumtunnel gepasseerd. Hier is de stof gedeeltelijk gesmolten.

© Dennis SK

Deeltjes snijden stukje af door tunnel

> 100% van de lichtsnelheid

Een bal die een muur raakt, stuitert terug, maar deeltjes gaan er soms dwars doorheen. Dit verschijnsel wordt een kwantumtunnel genoemd, en de reis door die tunnel kan theoretisch sneller gaan dan het deeltje nodig zou hebben om dezelfde afstand in vacuüm af te leggen.

Misschien kunnen deeltjes zelfs het licht inhalen door een stukje af te snijden via een kwantumtunnel. Een nieuw experiment van de universiteit van Toronto in Canada heeft het sterkste bewijs tot nu toe geleverd.

De onderzoekers gebruikten ultrakoude rubidiumatomen die langzaam naar een magnetische barrière van 1,3 micrometer breed dreven. Sommige passeerden de barrière via kwantumtunnels.

Onderzoekers lieten rubidiumatomen sneller een magnetische barrière passeren dan ze in een vacuüm dezelfde afstand hadden afgelegd. De snelheid werd gemeten op basis van de rotatierichting.

kwantumtunnel - rotatie atomen
© Samuel Velasco/Quanta Magazine/Lotte Fredslund

1. Rotatie atomen wordt gelijkgetrokken

Alle atomen draaien om zichzelf (pijl). Met een magnetisch veld zorgden natuurkundigen ervoor dat de rotatieas van ca. 8000 rubidiumatomen in een ultrakoud gas precies dezelfde kant op kwam te staan.

kwantumtunnel - magnetische barrière
© Samuel Velasco/Quanta Magazine/Lotte Fredslund

2. Kwantumtunnels maken doorgang

De atomen gingen vervolgens op een magnetische barrière af. De meeste ketsten erop af als ballen tegen een muur, maar sommige glipten door de barrière via zogeheten kwantumtunnels.

kwantumtunnel - rotatie atomen
© Samuel Velasco/Quanta Magazine/Lotte Fredslund

3. Rotatie toont snelheid van atomen

Hoe langer de passage duurde, hoe meer de richting van de rotatieas van de atomen veranderde. Uit metingen van de assen bleek dat de atomen de barrière met een hogere snelheid passeerden dan als hij er niet was geweest.

Metingen van kwantumverschijnselen zijn altijd onzeker, maar de proef was nauwkeurig genoeg om aan te tonen dat de atomen gemiddeld 0,61 milliseconden over hun reis door de tunnel deden. Volgens onderzoeksleider Aephraim Steinberg zouden ze in een vacuüm in die tijd minder ver komen.

De reistijd door een kwantumtunnel neemt nauwelijks toe als de barrière breder wordt gemaakt. Daarom denkt Steinberg dat een kwantumtunnel door een brede barrière atomen zal versnellen tot een snelheid die hoger ligt dan de lichtsnelheid als hij maar lang genoeg is.

2. Eerste gelijktijdige meting

Deeltjes snelheidslimiet heelal - Virgo-Aerial-View

De detector Virgo in Italië ving gravitatiegolven van een botsing tussen twee neutronensterren op.

© Virgo Coll

Zwaartekracht doet wedstrijdje met licht

100% van de lichtsnelheid

Einsteins algemene relativiteitstheorie voorspelt dat gravitatiegolven met precies de lichtsnelheid door de ruimte gaan. In 2017 kon deze voorspelling voor het eerst getest worden.

Gravitatiegolven zijn rimpelingen in de ruimte die ontstaan tijdens grote kosmische gebeurtenissen – zoals toen twee neutronensterren 130 miljoen jaar geleden in de Melkweg op elkaar botsten en een zwart gat vormden. Hoewel neutronensterren slechts 20 kilometer in diameter zijn, hebben ze meer massa dan de zon, en bij de botsing werden er gravitatiegolven en licht in de vorm van een gammaflits uitgezonden.

Toen de signalen de aarde bereikten, werden die voor de eerste en tot nu toe enige keer tegelijk geregistreerd. De gravitatiegolven werden opgevangen door twee detectors in de VS en één in Europa, en de gammaflits werd gelijktijdig opgepikt door de Fermi-satelliet van NASA.

Deeltjes snelheidslimiet heelal - zwaartekrachtgolven

Bij een kosmische botsing 130 miljoen jaar geleden kwamen licht (een gammaflits) en gravitatiegolven vrij.

© GSFC/NASA

Tot verrassing van de onderzoekers kwamen de gravitatiegolven 1,7 seconde vóór de gammaflits aan. Op het eerste gezicht leken de gravitatiegolven het licht te hebben ingehaald, maar de onderzoekers denken dat het minieme tijdsverschil van nog geen 2 seconden in 130 miljoen jaar andere oorzaken heeft.

Mogelijk kwam de gammaflits uit het binnenste van de botsende neutronensterren, waardoor de golven van het oppervlak een voorsprong kregen, of werd het licht iets vertraagd door een dichte gaswolk die bij de botsing vrijkwam. Het ongelijk van Einstein is dus nog niet bewezen.

3. Kortste tijdspanne

Deeltjes snelheidslimiet heelal - Petra-III

Met de Duitse röntgenlaser Petra III werd gemeten hoe lang een lichtdeeltje erover deed om door een waterstofmolecuul te reizen.

© Heiner Müller-Elsner/DESY

Onderzoekers meten route van licht door molecuul

100% van de lichtsnelheid

De snelste chemische reacties zijn gepiept in miljoensten van een miljardste seconde. De laatste 20 jaar hebben wetenschappers lasers ontwikkeld die snel genoeg flitsen om reacties te meten terwijl ze plaatsvinden.

Nu hebben Duitse natuurkundigen onder leiding van Reinhardt Dörner van de Goethe-Universiteit in Frankfurt een nog kortere tijd gemeten. Die wordt uitgedrukt in zeptoseconden: biljoensten van een miljardste seconde.

Met de röntgenlaser Petra III in Hamburg maten ze hoe lang een lichtdeeltje erover doet om door een waterstofmolecuul te gaan, met een doorsnede van 120 biljoenste meter het kleinste molecuul dat er is. Het bevat twee protonen (blauw) en twee elektronen.

Deeltjes snelheidslimiet heelal - route licht

Door een lichtdeeltje door een waterstofmolecuul te laten gaan en de golven (het interferentiepatroon) te bestuderen, werd de tot nu toe kortste tijdspanne gemeten.

© Shutterstock & Lotte Fredslund

De natuurkundigen bestookten het molecuul met individuele röntgenfotonen. Het foton (geel) bewoog door het molecuul met de snelheid van het licht en duwde eerst het ene en daarna het andere elektron uit de elektronenwolk (grijs) rond de twee protonen.

Buiten de wolk vormden de elektronen golven, die elkaar raakten als ringen in water, waardoor een interferentiepatroon (rood) ontstond. Aan de hand van dat patroon konden de onderzoekers de tijd tussen de botsing met het eerste en tweede elektron precies berekenen.

Het röntgenfoton bleek in 247 biljoenste van een miljardste seconde (247 zeptoseconden) door het waterstofmolecuul te zijn gegaan. Dit is de kortste tijd ooit gemeten.

4. Traagste licht

Deeltjes snelheidslimiet heelal - fotonen met golfvorm

Onderzoekers veranderden de golfvorm van fotonen (l) en verlaagden zo de lichtsnelheid in een vacuüm.

© University of Glasgow & Heriot-Watt University

Omgevormde lichtdeeltjes raken achterop

99,999% van de lichtsnelheid

De lichtsnelheid in vacuüm wordt meestal gezien als een constante, maar in proeven hebben wetenschappers nu lichtdeeltjes 0,001 procent langzamer laten bewegen dan normaal.

Als licht door een transparant medium als glas of water trekt, worden de lichtgolven gebroken en neemt de snelheid af in relatie tot de topsnelheid in vacuüm, 299.792.458 m/s. Zo daalt de lichtsnelheid in water tot 224.844.344 m/s.

Natuurkundige Lene Hau van Harvard University in de VS zorgde in 1999 voor een sensatie door lichtgolven te vertragen tot 17 m/s door ze door een ultrakoud gas te sturen. Maar de ultieme experimentele uitdaging is het verlagen van de lichtsnelheid in een vacuüm, en op dat vlak boekten Jacquiline Romero en Daniel Giovannini van de universiteit van Glasgow in Groot-Brittannië tot nu toe de beste resultaten.

De onderzoekers produceerden lichtdeeltjes in paren en scheidden ze met een prisma alvorens ze in vacuüm door een ‘racebaan’ van een meter lang te laten gaan. Aan het begin passeerde één foton een masker – een plaat met gaten – dat de vorm van het foton veranderde. Dat kan doordat een lichtdeeltje in de kwantumwereld zowel een deeltje als een golf is.

De golf kreeg de vorm van een dartbord (l), en de omgevormde fotonen verloren 0,001 procent van hun snelheid door de racebaan ten opzichte van ongewijzigde fotonen (r).

De lichtpuls als geheel ging echter door de baan met de gewone topsnelheid van licht in een vacuüm. Giovannini vergelijkt de trage fotonen met wielrenners in de Tour de France, die kunnen terugvallen zonder dat de snelheid van het hele peloton afneemt.

5. Snelste geluidsgolf

Deeltjes snelheidslimiet heelal - waterstofmetaal

Tussen twee diamantpunten kan waterstof zo onder druk gezet worden dat het verandert in vast waterstofmetaal.

© Max Alexander/SPL

Geluidssnelheid piekt in waterstofmetaal

0,012% van de lichtsnelheid

Geluidsgolven planten zich voort door atomen te laten trillen. Geluid gaat het traagst in gassen, sneller in vloeistoffen en het snelst in vaste stoffen. Hoe harder en stijver de stof, hoe sneller het geluid erdoorheen gaat. Het record is gemeten in diamant, waar geluid 12.000 m/s haalt.

Kostya Trachenko van de Queen Mary University of London heeft theoretisch vastgesteld dat geluid net als licht een topsnelheid heeft, die niet te overschrijden is. Die voorspelling is gebaseerd op metingen in 130 vaste stoffen, waaruit blijkt dat de snelheid wordt bepaald door de massa van de atomen.

Hoe lichter de atomen, hoe sneller de geluidsgolven zich voortplanten. In vast waterstofmetaal, dat de lichtste atomen van het heelal heeft, piekt het geluid dan ook met 36.000 m/s.

Natuurkundigen willen waterstofmetaal maken door waterstof in diamantdrukcellen samen te persen. Als dat lukt, kan de topsnelheid van het geluid worden getest.

6. Traagste atomen

Deeltjes snelheidslimiet heelal - Cold Atom Laboratory

In het Cold Atom Lab in het ruimtestation ISS worden atomen tot vlak boven het nulpunt gekoeld.

© JPL-Caltech/NASA

Atomen staan bijna stil

0,00000667% van de lichtsnelheid

Warmte ontstaat als atomen bewegen. Hoe langzamer de atomen bewegen, hoe kouder een gas is.

Het absolute nulpunt ligt op -273,15 °C. Volgens de klassieke natuurkunde staan de atomen dan stil afgezien van hun rotatie, maar de kwantummechanica zegt iets anders.

De snelheid van atomen in een gas neemt geleidelijk af bij dalende temperaturen tot 200 miljoenste graad boven het nulpunt. Daar is de snelheid 20 cm/s of 0,00000667 procent van de lichtsnelheid.

Maar door ze nog verder te koelen raken de atomen hun identiteit als deeltjes kwijt en worden ze een collectieve kwantumgolf, een atoomwolk, die zich verspreidt als ringen in water. Dit heet een bose-einsteincondensaat.

Al na een paar milliseconden trekt de zwaartekracht de atoomwolk naar de bodem van het vat, waardoor hij opwarmt. Dat maakt het lastig om het absolute nulpunt op aarde te onderzoeken, en de proeven zijn dan ook verplaatst naar het internationale ruimtestation ISS.

Bij proeven in het ruimtestation ISS worden atomen in een magnetische val gelokt en tot vlak boven het absolute nulpunt gekoeld.

Deeltjes snelheidslimiet heelal - laserstralen koelen atomen
© Claus Lunau

1. Laserstralen bevriezen bewegingen

Een magnetisch veld houdt de atomen van een gas vast in een vacuümvat. Laserstralen remmen de atomen af en koelen ze tot 100 miljoenste graad boven het nulpunt. Het koude gas wordt naar een zogeheten atoomchip boven in het vat geleid.

Deeltjes snelheidslimiet heelal - Bose-einsteincondensaat
© Claus Lunau

2. Radiogolven verwijderen warme atomen

Radiogolven duwen de warmste atomen uit het gas, zoals wanneer je op hete thee blaast. Hierdoor daalt de temperatuur tot enkele miljardsten van een graad boven nul, en het gas verandert in een wolk atomen: een bose-einsteincondensaat.

Deeltjes snelheidslimiet heelal - gewichtloze expansie
© Claus Lunau

3. Gewichtloze expansie koelt de wolk

De magnetische grip van de chip wordt minder en de atoomwolk dijt uit in gewichtloosheid. Daardoor koelt hij verder af, zoals gas dat uit een spuitbus komt. Deze expansie moet een kouderecord van 20 biljoenste graad boven het nulpunt vestigen.

In 2020 werd in het Cold Atom Laboratory van NASA een temperatuur van 200 biljoenste graad boven het nulpunt gehaald. Nu willen onderzoekers 20 biljoenste graad bereiken gedurende 5 seconden. Dan kunnen we zien hoe ultrakoude atomen zich vlak boven het nulpunt gedragen.