21 sep. 2014
2 minuten
Een internationaal team van natuurkundigen heeft aangetoond dat de massaverhouding tussen het proton en het elektron hetzelfde is in zwakke en in sterke zwaartekrachtsvelden. Het idee dat de natuurwetten en fundamentele natuurconstanten niet afhangen van lokale omstandigheden staat bekend als het equivalentieprincipe. Dit principe is de hoeksteen van Einsteins algemene relativiteitstheorie.
FOM-fysici, werkzaam bij het LaserLaB op de Vrije Universiteit Amsterdam, hebben het equivalentieprincipe getest door te bepalen of een van de natuurconstanten, de massaverhouding tussen protonen en elektronen, afhangt van de sterkte van het zwaartekrachtsveld waarin de deeltjes zich bevinden.
Laboratoria op aarde en in de ruimte
De onderzoekers vergeleken de proton-elektron-massaverhouding nabij het oppervlak van witte dwergen met de massaverhouding in een laboratorium op aarde. Witte dwergen zijn sterren in een laat stadium van hun levenscyclus, die geïmplodeerd zijn tot 1% van hun oorspronkelijke afmeting. Het zwaartekrachtveld op het oppervlak van deze sterren is daarom zo’n 10 000 keer sterker dan dat op aarde. De fysici concludeerden dat zelfs in deze sterke velden de proton-elektron-massaverhouding hetzelfde is, binnen een marge van 0,005%. In beide gevallen is het proton 1836 152672 maal zo zwaar als het elektron.
Absorptiespectra
De Nederlandse fysici werkten samen met sterrenkundigen van de University of Leicester, de University of Cambridge en de Swinburne University of Technology in Melbourne. Het team analyseerde absorptiespectra van waterstofmoleculen in de fotosfeer van de witte dwergsterren (de fotosfeer is een buitenste sterlaag die licht uitzendt). De onderzoekers vergeleken deze astronomische spectra met spectra die zij in het LaserLaB hadden gemeten met behulp van een laseropstelling.
Absorptiespectra geven aan welke stralingsfrequenties een deeltje absorbeert. Een kleine afwijking van de proton-elektron-massaverhouding zou de structuur van een molecuul veranderen en daarmee ook zijn absorptiespectrum. Een vergelijking van de spectra leert echter dat de waarde van de proton-elektron-massaverhouding onafhankelijk is van het zwaartekrachtveld.
Rock-solid
FOM-promovendus Julija Bagdonaite: "We hebben eerder bevestigd dat deze natuurconstante constant is in de tijd, met metingen van de Very Large Telescope in Chili. Nu hebben we de Hubble ruimtetelescoop gebruikt om zijn constantheid te beproeven in verschillende zwaartekrachtvelden. Steeds vinden we de bevestiging: natuurconstanten zijn rock-solid."
Het werk, dat deels is gefinancierd door Stichting FOM, is online gepubliceerd in Physical Review Letters.
Limits on a Gravitational field Dependence of the Proton-to-Electron Mass Ratio from H2 in White Dwarf Stars, Physical Review Letters, 18 september 2014.