Doorbraak in nucleair onderzoek: Muonic helium-3 onthult geheimen!

Doorbraak in nucleair onderzoek: Muonic helium-3 onthult geheimen!

Een onderzoeksteam onder leiding van prof. dr. Randolf Pohl van de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz heeft een belangrijke doorbraak bereikt in het meten van de fundamentele eigenschappen van atoomkernen. In experimenten uitgevoerd aan het Paul Scherrer Instituut in Zwitserland zijn wetenschappers erin geslaagd de ladingsstraal van muonisch helium-3 met ongekende precisie te meten. De resultaten van dit onderzoek zijn op 23 mei 2025 gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Science uni-mainz.de meldt.

Myoïsch helium-3, dat bestaat uit twee protonen en een neutron, verschilt aanzienlijk van gewoon helium omdat het elektron is vervangen door een muon. Dit muon is ongeveer 200 keer zwaarder dan een elektron en maakt nauwkeurigere metingen van de nucleaire structuur mogelijk omdat zijn grote massa de overlap van de golffunctie met de kern vergroot. De nieuw bepaalde waarde voor de ladingsradius van muonisch helium-3 is 1,97007 ± 0,00097 femtometers, waardoor deze vijftien keer nauwkeuriger is dan eerdere metingen. arxiv.org.

Nauwkeurige metingen en hun betekenis

Onderzoek om de ladingsradius te bepalen is van cruciaal belang omdat precieze waarden voor atoomkernen essentieel zijn voor het bepalen van fundamentele natuurconstanten en de zoektocht naar nieuwe fysische verschijnselen. De resultaten laten een goede overeenkomst zien tussen de muonische helium-3-metingen en eerdere resultaten verkregen op normaal helium in Amsterdam. De verschillen tussen de ladingsstralen van helium-3 en helium-4 werden ook nauwkeurig bepaald, wat de hoge nauwkeurigheid van de methodologie aangeeft.

Het team, bestaande uit wetenschappers prof. dr. Sonia Bacca, prof. dr. Marc Vanderhaeghen en dr. Franziska Hagelstein, heeft nauwe samenwerking aangetoond in de PRISMA+ Cluster of Excellence door theoretische berekeningen en experimentele gegevens te combineren. Toekomstige plannen omvatten het onderzoeken van atoomkernen van lithium tot neon met behulp van nieuwe soorten röntgendetectoren om nog nauwkeurigere resultaten te bereiken.

Vergelijking met andere onderzoeksresultaten

De nieuwe meting van de ladingsstraal van helium-3 komt in de context van actief onderzoek naar de structuur van atoomkernen. Vooral laserspectroscopie is een waardevol hulpmiddel gebleken, niet alleen voor waterstof, maar ook voor deuterium en andere heliumisotopen. Dit geldt ook voor de metingen van muonisch deuterium en muonisch helium-4, waarvan de gegevens momenteel worden geanalyseerd, zoals mpg.de meldt.

De precisie van de nieuwe ladingsradius voor helium-3 speelt ook een belangrijke rol bij de benchmarkscore, wat belangrijk is voor theorieën met weinig nucleonen. In het bijzonder zal het combineren van deze metingen met eerder werk aan de structuur van helium-4 en andere lichte kernen cruciaal zijn om fysieke modellen verder te verfijnen.