Door neutronen af te vuren op siliciumkristallen, hebben Amerikaanse onderzoekers een aantal interessante metingen kunnen doen. Die leren ons meer over de kristallen, de neutronen – én over een mogelijke extra natuurkracht.

Silicium speelt een cruciale rol in onze elektronica; alleen al om die reden is het belangrijk zoveel mogelijk over dit element te weten te komen. Onderzoekers van het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben nu een siciliumkristal op een nieuwe manier doorgelicht – en dat vertelde ze niet alleen meer over dat silicium.

Trillende snaren

Voor dit experiment vuurden de wetenschappers neutronen af op een siliciumkristal, waarin de siliciumatomen op een regelmatige manier gerangschikt zijn. Nu is het zo dat neutronen zich niet alleen als deeltjes, maar ook als golven kunnen gedragen. In dit geval ontstaan er staande golven – vergelijkbaar met een trillende gitaarsnaar – in het materiaal. De pieken van zo’n golf kunnen dan overlappen met de atomen in het rooster (links op het plaatje hieronder) of er netjes tussenin vallen (rechts). Daarna worden die twee golven gecombineerd, waardoor een patroon ontstaat dat je meer kan meer vertellen over hoe het kristal in elkaar zit.

De oudgedienden
LEES OOK
De oudgedienden
Neutronen vormen staande golven in een siliciumkristal die wel of niet overlappen met de atomen in dat kristal. Beeld: NIST

Michael Huber, een van de betrokken wetenschappers, omschrijft het in een persbericht van NIST als volgt: ‘Stel je voor dat je de snaren van twee gitaren aanslaat en er dan eentje over een weg met verkeersdrempels vervoert en de andere over een even lange vlakke weg. Als je aan het eind van beide wegen het geluid van de twee gitaren vergelijkt, vertelt dat je iets over de snelheidsdrempels waar een van beide overheen is gegaan. Hoe groot zijn ze? Hoe glad? Hebben ze nog gekke vormen?’

Op deze manier hebben de NIST-onderzoekers de structuur van het siliciumkristal vier keer nauwkeuriger in kaart weten te brengen dan eerder was gelukt met andere methodes.

Enorm elektrisch veld

En dat is niet alles. Dit soort onderzoek kan ons ook meer vertellen over de neutronen zélf. Hoewel dat in zijn geheel, zoals hun naam al zegt, neutrale deeltjes zijn, geldt dat niet voor hun ‘binnenkant’. Neutronen bestaan namelijk uit drie quarks: één met een positieve, en twee met een negatieve elektrische lading. Die quarks zijn zo over het neutron verdeeld dat op sommige plekken een positieve lading overheerst en op andere een negative.

Die ladingsverdeling konden de wetenschappers aan een nader onderzoek onderwerpen doordat de neutronen een elektrisch veld ervaren als ze tussen de geladen deeltjes in het siliciumkristal door bewegen. Dat veld is zó sterk, dat het neutron zich niet meer gedraagt als één neutraal ‘bolletje’, maar als een deeltje met een positief hart, omringd door een negatieve schil.

Het neutron heeft aan de buitenkant een negatieve lading (rood) en in het centrum een positieve (blauw). Beeld: NIST

Nu zijn er wel eerdere metingen gedaan aan de ladingsverdeling van het neutron – maar die stroken niet helemaal met elkaar. Het nieuwe resultaat, dat op een compleet andere manier tot stand is gekomen dan die eerdere metingen, kan daarom helpen te bepalen hoe het nu écht zit. In vervolgexperimenten hopen de onderzoekers bovendien de meest accurate meting van de ladingsverdeling tot nu toe te kunnen doen.

Vijfde kracht

Tot slot keken de onderzoekers naar de mogelijkheden voor een vijfde natuurkracht. Tot nu toe kennen we vier krachten: de zwaartekracht, de elektromagnetische kracht, de sterke kernkracht en de zwakke kernkracht. Maar het zou natuurlijk kunnen dat die niet het hele verhaal zijn; dat er nóg een kracht in het spel is, waar we tot nu toe niets (of weinig) van hebben gemerkt.

Zo’n nieuwe kracht zou dan waarschijnlijk alleen op korte afstanden tussen deeltjes werken. Met hun neutronen-en-kristalonderzoek konden de NIST-wetenschappers kijken naar afstanden tussen 0,02 nanometer (miljardste meter) en 10 nanometer, en voor die afstanden zeggen: ‘Áls er al een nieuwe kracht is, is die in elk geval niet sterker dan zus-en-zo, want dan hadden we er iets van moeten merken.’

Kleinschalig?

‘Het is een mooi experiment’, zegt Steven Hoekstra, adjunct hoogleraar atoom- en molecuulfysica aan de Rijksuniversiteit Groningen. ‘Wat vooral aantrekkelijk is, is dat ze door de gekozen techniek van verstrooiing van neutronen aan een heel puur kristal de eigenschappen van deze neutronen heel goed konden meten. Deze interessante techniek zal zeker nog verder ontwikkeld worden, door bij lagere temperaturen te werken en kristallen van verschillende materialen te gebruiken.’

Wel vindt Hoekstra het wat ver gaan dat het persbericht het experiment omschrijft als ‘kleinschalig’ en ‘passend op een tafel’. ‘Het kristal zelf is natuurlijk heel klein, en de apparatuur om de neutronen-verstrooiing te meten ook. Maar om de neutronenbundel te maken, gebruiken de onderzoekers een grote faciliteit.’

Knutselen met het allerkleinste
LEESTIP: in deze special lees je over wetenschappers die binnen allerlei verschillende vakgebieden knutselen op moleculaire schaal. Bekijk hem in onze webshop.