17 feb. 1999
3 minuten
Lichtimpulsen die een miljoen maal korter zijn dan tot nu toe mogelijk was: wetenschappers op de technische universiteit van Wenen hebben een nieuwe meetmethode bedacht die mogelijk wordt als daarvoor over enige tijd bij Cern nieuwe apparatuur beschikbaar komt.
Met stevige ionenbotsingen zou het bij Cern moeten lukken om kortere lichtpulsen dan ooit te produceren. Dat werd gedemonstreerd met computersimulatie op de TU Wenen. De impulsen zijn zo kort, dat zij met de huidige technologische apparatuur niet eens kunnen worden gemeten. Er is nu een methode voorgesteld om de nauwkeurigste stopwatch ter wereld voor de kortste lichtpulsen te creëren, met behulp van een detector die in 2018 bij Cern wordt geïnstalleerd.
Klein, kort en heet
Fenomenen die op een zeer korte tijdschaal plaatsvinden worden vaak onderzocht met korte laserpulsen. Momenteel zijn pulsen mogelijk in de orde van attoseconde (10-18). Maar records zijn er om te breken: "Atoomkernen in deeltjesversnellers als de LHC bij Cern kunnen lichtpulsen vormen die nog een miljoen maal korter zijn", zegt Andreas Ipp van de TU Wenen.
In het Alice-experiment van Cern botsen loodatoomkernen met bijna de lichtsnelheid tegen elkaar. Het ‘puin’ van de uiteengespatte kernen vormt, samen met de nieuwe deeltjes die zijn ontstaan door de kracht van de botsing, een quark-gluon plasma – een toestand waarbij materie zo heet is dat zelfs protonen en neutronen smelten. Hun bouwstenen – quarks en gluons – kunnen onafhankelijk bewegen, zonder dat ze aan elkaar zijn gebonden. Het quark-gluon plasma bestaat maar gedurende enkele yoctoseconde (10-24 seconde).
Ideeën uit de astronomie
Een quark-gluon plasma dat is gecreëerd in een versneller kan lichtpulsen afgeven die waardevolle informatie bevatten over het plasma. Maar conventionele meettechnieken zijn veel te langzaam om yoctosecode-flitsen waar te nemen. "Daarom maken we gebruik van het Hanbury Brown-Twiss effect, een idee dat oorspronkelijk is ontwikkeld voor astronomische metingen", aldus Amdreas Ipp.
In een Hanbury Brown-Twiss experiment worden correlaties bestudeerd tussen twee verschillende lichtdetectoren. Zo kan de diameter van een ster heel nauwkeurig worden berekend. "Maar het effect hoeft niet alleen te worden gebruikt voor het bestuderen van ruimtelijke afstanden, je kunt er ook tijdintervallen mee meten", zegt Ipp. De berekeningen die hij samen met Peter Somkuti uitvoerde, laten zien dat de yoctoseconde-pulsen van het quark-gluon plasma kunnen worden gemeten met een Hanbury Brown-Twiss experiment. "Het zal moeilijk zijn, maar het is absolutt haalbaar", denkt Ipp. Voor dit experiment zijn geen extra, dure detectoren nodig, het kan worden gedaan met de ‘forward calorimeter’, die bij Cern in 2018 in gebruik moet worden genomen. En daarmee zou het Alice-experiment de nauwkeurigste stopwatch ter wereld worden.
De Raadselen van het Plasma
Er zijn nog steeds veel onbeantwoorde vragen met betrekking tot het quark-gluon plasma. Het heeft een buitengewoon lage viscositeit – het is dunner dan elke vloeistof die we kennen. Zelfs als het begint vanuit een toestand van extreme onbalans, bereikt het extreem snel een thermisch evenwicht. Het bestuderen van de lichtpulsen van het quark-gluon plasma zou waardevolle nieuwe informatie kunnen opleveren om deze toestand beter te begrijpen.
In de toekomst zouden de lichtpulsen misschien zelfs kunnen worden gebruikt voor nucleair onderzoek. "In de kwantumfysica worden vaak experimenten met twee lichtpulsen uitgevoerd", verklaart Andreas Ipp. "De eerste puls verandert de toestand van het te onderzoeken object en met de tweede, vlak erna, kan de verandering worden gemeten."
Met yoctoseconde lichtpulsen zou deze algemeen ingevoerde benadering kunnen worden gebruikt in gebieden die tot nu toe geheel ontoegankelijk waren voor dit soort onderzoek.
Anderen lazen ook
