Hoeveel energie doet een neutron opspringen?

Dat ook de zwaartekracht voldoet aan de wetten van de kwantumfysica, hebben wetenschappers in 2002 bewezen. Nu hebben ze ook een manier gevonden om te meten hoeveel energie er nodig is om een kwantumsprong te maken op het gebied van de zwaartekracht. Dat opent mogelijkheden om de zwaartekrachttheorie van Newton te verfijnen en om mogelijk zwarte materie te ontdekken.

De kwantumtoestanden van atomen, fotonen, moleculen en andere deeltjes zijn al uitgebreid bestudeerd. De toestanden worden "kwantumtoestanden" genoemd omdat er een welbepaalde hoeveelheid energie nodig is of afgegeven wordt om van de ene naar de andere kwantumtoestand te springen.

Van de vier fundamentele krachten, de sterke kernkracht, die de protonen en de neutronen bij elkaar houdt in de atoomkernen, de elektromagnetische kracht, die de elektronen vasthoudt bij een atoom, de zwakke kernkracht, die een rol speelt in radioactief verval, en de zwaartekracht, is de zwaartekracht veruit de zwakste, wat het moeilijker maakt om metingen te verrichten. Het heeft dan ook tot 2002 geduurd voor geleerden konden bewijzen dat ook de zwaartekracht zich houdt aan de wetten van de kwantumfysica.

Ze deden dat met traag bewegende neutronen die ze lieten vallen, wat uiteraard gebeurt onder invloed van de zwaartekracht. De neutronen worden gecreëerd in een kernreactor en tot een erg lage snelheid gebracht door moderatoren, materialen die gebruikt worden om de snelheid van de kernreactie te regelen. Aan een snelheid van 5 meter per seconde, slechts een honderdste van de snelheid van moleculen in de lucht,  worden de neutronen in het experiment gebracht.

Appel van een trap

Voor het experiment dat bewees dat ook de zwaartekracht voldoet aan de kwantumfysica ,  worden de ultratrage elektronen zachtjes horizontaal afgeschoten tussen twee platen die erg dicht bij elkaar zitten, nauwelijks een haarbreedte van elkaar verwijderd. De onderste plaat weerkaatst neutronen, de bovenste absorbeert ze en achter de platen staat een detector die telt hoeveel neutronen er door de platen raken.

De horizontaal afgeschoten neutronen worden door de zwaartekracht in een boog naar beneden getrokken, zoals een bal die je gooit ook naar de grond wordt getrokken, en raken dan de reflecterende plaat. Daarop stuiteren ze weer naar boven en door de hoogte van de absorberende plaat te veranderen kan men vaststellen op welke hoogte de stuiterende neutronen zich bevinden.

Daaruit blijkt dat deeltjes niet in een vloeiende beweging vallen, maar van de ene naar de andere hoogte springen, van de ene naar de andere quantumtoestand. Hun beweging kan vergeleken worden met een appel die van een trap rolt: net zoals een appel niet tussen twee treden stil kan staan, kan men een neutron niet aantreffen tussen twee opeenvolgende hoogtes, die in dit geval energieniveaus genoemd worden. De neutronen bevinden zich alleen op die niveaus en nooit er tussenin. Het is dus alsof een appel als hij van een trap valt, eerst zich op een trede bevindt en dan ineens op de volgende, zonder de weg ertussen af te leggen. In de eerste 15 micrometer bevinden zich geen neutronen, zo is gebleken. Pas zodra men de absorberende plaat hoger hangt,  zijn er deeltjes zichtbaar. Ter vergelijking, een mensenhaar is gemiddeld 50 micrometer dik.

Trillende plaat

Nu hebben wetenschappers van het Institut Laue-Langevin, een internationaal onderzoeksinstituut in Grenoble in Frankrijk, aan de onderste plaat een "piëzoelektrische resonator" gekoppeld. Die resonators genereren signalen van een bepaalde frequentie, zoals de kwartskristallen in een horloge. De resonator laat de bodemplaat trillen met een bepaalde frequentie die aangepast kan worden, en de trillende plaat geeft , afhankelijk van de frequentie, een bepaalde energie aan de neutronen die er op terechtkomen.

De wetenschappers ontdekten dat er duidelijke verminderingen optraden in het aantal neutronen dat door de platen geraakte bij bepaalde frequenties. Dat wijst erop dat de neutronen geneigd waren die frequenties te absorberen, en zo in een hogere quantumtoestand terechtkwamen, op een grotere hoogte dus, zodat ze geabsorbeerd werden door de bovenste plaat en niet de detector op het einde van de platen bereikten. Die hoeveelheid energie kwam dus met andere woorden overeen met de zwaartekrachtquanta, die men nu dus nauwkeurig heeft kunnen meten. 

Newton

De resultaten van de metingen kunnen nu vergeleken worden met wat theoretisch berekend werd op basis van de zwaartekrachtwet van Newton. Als er een afwijking is tussen die twee, zou dat er op wijzen dat de gravitatiewet voor de hele kleine afstanden niet 100 procent geldig is. Erg verwonderlijk zou dat niet zijn, want ook voor erg nauwkeurige metingen op planetaire schaal en met extreem zware objecten voldoet Newton niet en moet men de algemene relativiteitstheorie van Einstein gebruiken. 

De verschillen zouden ook aanwijzingen kunnen opleveren voor het bestaan van axionen, een hypothetisch deeltje dat deel zou uitmaken van de donkere materie, materie in het heelal die niet kan waargenomen worden maar die verondersteld wordt te bestaan omdat anders de bewegingen van verre sterren en van afgeplatte sterrenstelsels niet verklaard kunnen worden met de zwaartekrachttheorie en de relativiteitstheorie.

Ook zouden ze aanwijzingen kunnen geven voor het bestaan van supersymmetrische deeltjes, die verondersteld worden door de snaartheorie.