Penningval: hoe je een deeltje vangt zonder het aan te raken
Een penningval is een klein stukje techniek dat iets doet wat op het eerste gezicht onmogelijk klinkt: een los, geladen deeltje – bijvoorbeeld één enkel elektron of een antiproton – urenlang muurvast houden in het luchtledige, zonder dat er iets fysieks tegenaan komt. Geen bakje, geen wanden, geen aanraking. Het deeltje zweeft in het midden van een set metalen elektroden en magneten, gevangen door elektrische en magnetische velden die precies in balans zijn gebracht.
Vergelijk het met een knikker die je in een schaal probeert te laten stilliggen. Op een vlakke schaal rolt hij zo weer weg. Maar geef de schaal een specifieke, gebogen vorm en de knikker blijft in het midden liggen, ook al draait of trilt hij nog een beetje. Een penningval doet iets vergelijkbaars, maar dan met onzichtbare velden in plaats van een fysieke schaal, en met een deeltje dat duizenden keren per seconde rondjes draait in plaats van stilligt. Het is een van de nauwkeurigste meetinstrumenten die de natuurkunde kent, en het duikt op in nieuws over antimaterie-onderzoek en fundamentele natuurkunde.
Wat is het precies?
De penningval is vernoemd naar de Nederlandse natuurkundige Frans Michel Penning, die in de jaren dertig bij Philips onderzoek deed naar vacuümtechniek. Hij ontdekte dat je met een combinatie van een elektrisch veld en een magnetisch veld geladen deeltjes in een baan kon houden binnen een vacuümbuis. Decennia later, in de jaren vijftig en zestig, bouwde de Amerikaanse natuurkundige Hans Dehmelt hierop voort en ontwikkelde de val die we nu kennen: een instrument waarmee je een enkel ion of elektron voor lange tijd kunt opsluiten en bestuderen.
Het principe steunt op twee soorten velden die tegelijk werken. Een sterk, constant magnetisch veld zorgt ervoor dat een geladen deeltje niet zomaar zijwaarts kan wegdrijven: net als een lading in een deeltjesversneller gaat het deeltje in kleine cirkeltjes ronddraaien, de zogeheten cyclotronbeweging. Dat magnetisch veld alleen is echter niet genoeg, want het deeltje zou nog steeds langs de as van het magneetveld kunnen wegglippen.
Daarom voegt een penningval een tweede element toe: een elektrisch veld, opgewekt door een ringvormige elektrode met aan weerszijden twee kapjes in de vorm van een zadel. Dit elektrische veld duwt het deeltje steeds terug naar het midden zodra het naar boven of onder dreigt te bewegen. Het resultaat is een deeltje dat niet stilligt, maar in een complexe, stabiele baan blijft bewegen: een combinatie van de snelle cyclotronbeweging, een trage cirkelvormige drift (de magnetron-beweging) en een op-en-neer trilling langs de as. Zolang de velden goed zijn afgestemd, blijft het deeltje binnen een ruimte van luttele millimeters gevangen, soms wekenlang.
Omdat er geen fysieke wand is die het deeltje ooit raakt, kunnen onderzoekers het extreem nauwkeurig bestuderen: zijn massa, zijn lading, zijn magnetische eigenschappen. Elke aanraking met een oppervlak zou de meting verstoren; door het deeltje volledig zwevend te houden, blijft het zo ongestoord mogelijk.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste belofte van de penningval is precisie. Doordat een deeltje lang en ongestoord gevangen blijft, kun je metingen aan het deeltje net zo lang herhalen en verfijnen totdat de meetonzekerheid tot in extreem veel decimalen is teruggebracht. Dat is van belang voor twee soorten doelen.
Ten eerste: het testen van fundamentele natuurkundige theorieën. Het Standaardmodel van de deeltjesfysica doet precieze voorspellingen over hoe zwaar deeltjes zijn en hoe ze zich magnetisch gedragen. Door bijvoorbeeld de massa van een elektron of het magnetisch moment van een antiproton tot in de twaalfde decimaal te meten, kunnen natuurkundigen nagaan of de theorie klopt, of dat er scheurtjes in zitten die op nieuwe, nog onbekende natuurkunde wijzen.
Ten tweede: het onderzoeken van antimaterie. Elk deeltje heeft een antimaterie-tegenhanger met dezelfde massa maar tegengestelde lading. Volgens de gangbare theorie (CPT-symmetrie) zouden materie en antimaterie in alle opzichten spiegelbeeldig moeten zijn. Toch bestaat het heelal bijna volledig uit materie, terwijl er bij de oerknal in theorie evenveel antimaterie ontstaan zou moeten zijn. Door antiprotonen en protonen in penningvallen naast elkaar te vergelijken, hopen onderzoekers een verschil te vinden dat een aanwijzing geeft voor waarom dat zo is. Tot nu toe zijn proton en antiproton in alle gemeten opzichten identiek, wat de puzzel juist groter maakt.
Voorbeelden uit de praktijk
Het BASE-experiment bij CERN in Genève gebruikt penningvallen om protonen en antiprotonen met elkaar te vergelijken. Rond 2015 publiceerde het team de tot dan toe nauwkeurigste vergelijking van de lading-massaverhouding van beide deeltjes, en enkele jaren later volgde een vergelijkbaar precieze meting van hun magnetisch moment. Beide keren bleek er geen meetbaar verschil te zijn, wat de symmetrie tussen materie en antimaterie verder bevestigt.
Het ALPHA-experiment, eveneens bij CERN, gebruikt penningvallen (in combinatie met andere valtypes) om antiprotonen en positronen (het antideeltje van het elektron) te verzamelen en samen te voegen tot antiwaterstofatomen. In 2010 slaagde het team er voor het eerst in om antiwaterstofatomen enige tijd vast te houden; in 2011 lukte het om ze meer dan duizend seconden gevangen te houden, lang genoeg om ze met lasers te bestuderen. Later voerde ALPHA spectroscopische metingen uit aan antiwaterstof om te kijken of het licht op precies dezelfde golflengtes reageert als gewoon waterstof.
Bij het Max Planck Institut für Kernphysik in Heidelberg draait het PENTATRAP-experiment: een opstelling van vijf gekoppelde penningvallen die massaverhoudingen van zwaar geladen ionen met extreme precisie meet. Deze metingen zijn onder meer relevant voor pogingen om de massa van het neutrino, een van de lichtste en moeilijkst te meten deeltjes, indirect te bepalen.
Aan de Canadese onderzoeksinstelling TRIUMF in Vancouver gebruikt het TITAN-experiment penningval-massaspectrometrie om de massa te meten van kortlevende, radioactieve isotopen die maar fracties van seconden bestaan. Die metingen helpen te begrijpen hoe zware elementen in sterren en bij sterexplosies ontstaan.
Hoe ver is de techniek?
De penningval zelf is geen nieuwe uitvinding: het basisprincipe bestaat al sinds de jaren zestig en Hans Dehmelt ontving er in 1989 samen met Wolfgang Paul (uitvinder van een verwant type ionval) de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor. In die zin is dit geen opkomende technologie, maar een volwassen, bewezen instrument.
Wat wél voortdurend verbetert, is de precisie waarmee de vallen gebouwd en bediend worden. Elke generatie experimenten probeert trillingen, temperatuurschommelingen en elektrische ruis verder te onderdrukken, waardoor metingen die tien jaar geleden nog onmogelijk precies waren, nu binnen bereik komen. Bij antimaterie-experimenten is de grootste uitdaging niet de val zelf, maar het produceren en invangen van voldoende antideeltjes: antiprotonen worden bij CERN met deeltjesversnellers gemaakt en afgeremd voordat ze in een val passen, een proces dat energie- en tijdsintensief is.
Een reële beperking is dat penningvallen doorgaans maar één deeltje of een klein aantal deeltjes tegelijk vasthouden. Voor toepassingen die grote aantallen deeltjes nodig hebben, zoals sommige vormen van quantumcomputing, wordt daarom vaker gebruikgemaakt van een verwant maar ander type val (de Paul-val, die met wisselende in plaats van statische elektrische velden werkt). Penningvallen worden in dat quantumveld vooral experimenteel ingezet voor het opsluiten van grotere, tweedimensionale groepen ionen, bijvoorbeeld in onderzoek naar quantumsimulatie, maar dit is een kleiner en minder uitontwikkeld toepassingsgebied dan de precisiemetingen in de kernfysica.
Wie werken eraan?
CERN, het Europese laboratorium voor deeltjesfysica in Genève, is de belangrijkste plek waar penningvallen worden ingezet voor antimaterie-onderzoek, via experimenten als BASE en ALPHA, met deelnemende onderzoeksgroepen uit onder meer Duitsland (Max Planck Institut für Kernphysik, RIKEN-samenwerkingen), Japan, Canada en de Verenigde Staten.
In Duitsland is het Max Planck Institut für Kernphysik in Heidelberg een centrum voor penningval-massaspectrometrie, met het PENTATRAP-experiment als vlaggenschip. In Canada speelt TRIUMF in Vancouver een vergelijkbare rol voor onderzoek aan kortlevende isotopen. In de Verenigde Staten hebben groepen aan onder meer Harvard University en het National Institute of Standards and Technology (NIST) historisch en actueel belangrijk werk verricht aan precisiemetingen met penningvallen, voortbouwend op het pionierswerk van Hans Dehmelt aan de University of Washington.