ZWAARTEKRACHT VAN CESIUM GEMETEN IN ATOMAIRE FONTEIN

Volgens de legende deed Galileo Galilei metingen aan de zwaartekracht door gewichten van de scheve toren van Pisa te laten vallen. Onderzoekers van Stanford University doen dat deze week dunnetjes over met minuscule klompjes van het metaal cesium: een paar honderd miljoen atomen blijken voldoende om de versnelling van de zwaartekracht (g) met een ongekende nauwkeurigheid te meten (Nature, 26 aug). Om deze klassieke grootheid te bepalen maakte het team, onder leiding van Nobelprijswinnaar Steven Chu, gebruik van een quantummechanisch verschijnsel, interferentie tussen atomen. Die moeten daarvoor eerst worden afgekoeld tot een paar miljoenste graad boven het absolute nulpunt. Dat gebeurt met behulp van lasers. Vervolgens worden ze - opnieuw met een laser - omhoog geschoten in wat wel een atomaire fontein wordt genoemd. In de buurt van het hoogste punt bewegen ze zich zó traag, dat er relatief lang aan kan worden gemeten. En dat is belangrijk, want daardoor zijn de metingen veel nauwkeuriger dan tot nu toe het geval was. In de fontein staan ze niet alleen bloot aan de zwaartekracht, maar ook aan een serie lichtpulsen van een derde laser. Door absorptie van licht krijgt een deel van de atomen een zetje en komt in een andere quantummechanische toestand. Als gevolg daarvan leggen ze een net iets andere weg af dan de rest. Via een truc worden de twee groepen weer bij elkaar gebracht, waarbij interferentie optreedt. Uit een serie van dit soort experimenten kan vervolgens de waarde van g worden bepaald. Metingen met een gravimeter - een moderne uitvoering van het experiment van Galilei - die in hetzelfde laboratorium werden uitgevoerd wijzen uit dat `quantummechanische' atomen binnen een paar miljardste decimalen met dezelfde versnelling vallen als een klassiek macroscopisch object.

Alleen al omdat de eigenschappen van een groot aantal laserbundels heel precies moeten worden afgesteld, zijn dit soort experimenten bijzonder ingewikkeld. Om een hoge nauwkeurigheid te kunnen halen moeten bovendien allerlei externe ruis- en trillingsbronnen zo goed mogelijk worden uitgeschakeld. Dat maakt de uitvoering en interpretatie er alleen maar ingewikkelder op. Tekenend voor dat laatste is dat sommige experimentele data al dateren van eind 1996. De grootste onzekerheid zit op dit moment in het feit dat de atomen in de fontein niet volmaakt in verticale richting bewegen. Daardoor hebben ze `last' van de draaiing van de aarde en staan ze bloot aan de zogeheten Coriolis-kracht. Dat effect kan worden uitgeschakeld door de gehele opstelling in draaiing te brengen. In dat geval zouden de metingen nog een factor tien nauwkeuriger kunnen worden.

(Rob van den Berg)