In vleugel 7 van het Huygensgebouw onderzoeken wetenschappers botsingen tussen zo ongeveer de kleinste deeltjes die er bestaan. Belangrijk onderzoek voor de kwantummechanica. Binnenkort neemt hoogleraar Bas van de Meerakker, oprichter van de onderzoeksgroep, hievoor de Physicaprijs in ontvangst. Een reportage uit het lab met een invoegstrook voor moleculen.

‘We onderzoeken hier atomaire en moleculaire botsingen op kwantummechanisch niveau. Met name fenomenen zoals state-to-state botsingdoorsnedes, diffractie-oscillaties en product-paar correlaties.’ Aan het woord hoogleraar Bas van de Meerakker. Naast hem staat een metersgrote stellage, waar met lasers onderzoek gedaan wordt naar botsende atomen bij de laagst mogelijke temperaturen.

Mocht je weinig begrijpen van de vorige alinea: geen zorgen, je bent niet de enige. Gelukkig kunnen ze bij de onderzoeksgroep Spectroscopy of Cold Molecules, gelegen in vleugel 7 van het Huygensgebouw, goed in lekentaal uitleggen wat ze doen.

Belangrijk onderzoek

‘We willen begrijpen hoe moleculen zich bewegen in hun meest natuurlijke staat’, vertelt Van de Meerakker. Hoewel fundamenteel, is het onderzoek van groot belang. Door uit te zoeken hoe deeltjes onder de meest extreme omstandigheden bewegen, leer je meer over hoe alles – ja, écht alles – in elkaar zit.

Het onderzoek kan worden gebruikt binnen de kwantummechanica, legt de hoogleraar uit. Voor het bouwen van kwantumcomputers, bijvoorbeeld. Of binnen de astrochemie: om beter te begrijpen welke processen in het heelal plaatsvinden – en uiteindelijk de vraag te beantwoorden hoe leven is ontstaan.

Terug naar het laboratorium zelf. Van de Meerakker en postdoc Stach Kuijpers staan inmiddels naast een installatie van een paar meter lang. Het is een van de deeltjesafremmers die gebruikt wordt door het onderzoeksteam.

‘We bestuderen hiermee de botsingskansen van atomen en moleculen bij een zo laag mogelijke temperatuur’, legt Kuijpers uit. Hij wijst op een deel van de installatie. ‘De ruimte waarin dat gebeurt wordt afgekoeld tot bijna 0 Kelvin – het koudste dat mogelijk is. Want hoe lager de temperatuur, hoe minder de deeltjes bewegen, hoe beter we ze in hun puurste staat kunnen onderzoeken.’

Biljartballen

‘Zie het als twee biljartballen’, vult Van de Meerakker aan. ‘Als je die met een bepaalde snelheid tegen elkaar aan schiet, dan botsen die, kaatsen af en beginnen te spinnen. Wij proberen te onderzoeken wat er gebeurt bij zo’n botsing: hoe de deeltjes – net als een biljartbal – om hun as gaan draaien.

‘Maar die bewegingen zijn heel anders bij zulke lage temperaturen, omdat de deeltjes dan nagenoeg helemaal stil staan. Wat je dan krijgt is dat de materiegolf waaruit atomen en moleculen bestaan, overheersend is (zie kader). We onderzoeken hier eigenlijk wat er gebeurt als die golven op elkaar botsen.’

Daarmee gebeurt eigenlijk het tegenovergestelde van wat er bij deeltjesversneller CERN in Zwitserland gebeurt: daar laten ze deeltjes met zo groot mogelijke energie op elkaar botsen. Hier gebeurt dat met zo min mogelijk energie.

In het Huygensgebouw worden ontzettend veel van die atomen en moleculen op elkaar afgeschoten, legt Kuijpers uit. ‘Omdat dan de kans op een botsing het grootst is. We vangen dan alle afkaatsende deeltjes op met een elektrisch veld, en kunnen heel precies zien welke kant ze opvliegen na de botsing, en met welke snelheid dat gebeurt. Op die manier kunnen we eigenlijk direct zien hoe die materiegolven bewegen. Of, om terug te komen bij de biljartbal: hoe die afkaatst en draait.’

Filerijden voor moleculen

Door naar het volgende lab, waar een tweede metersgrote stellage opgetuigd is. Van de Meerakker: ‘Hier onderzoeken we wat er gebeurt als je de deeltjes niet op elkaar af schiet, maar dezelfde kant op laat bewegen. We laten materiegolven hier geleidelijk met elkaar interfereren. Je kan het vergelijken met golven op zee: als golven samenkomen, dan kan dat allerlei verschillende bewegingen opleveren. Ze kunnen breken, één grote golf vormen of onstuimige golven worden die kort op elkaar zitten.’

Om dat voor elkaar te krijgen, is er een heuse ‘invoegstrook’ gebouwd aan de stellage. Het is het huzarenstukje van Kuijpers, die vorig jaar op het onderzoek promoveerde. ‘Zie het als een soort filerijden: als je de snelweg opkomt, dan voeg je al ritsend in’, legt hij uit. ‘Dat doen we hier ook met die materiegolven. Vervolgens komen die er dan in één baan uit en kunnen we zien hoe de beweging eruit komt te zien als we twee golven samenvoegen.’

Invoegstroken voor materiegolven, afkaatsende moleculen die worden opgevangen met elektrische velden. En dat allemaal in metersgrote stellages, bestaande uit duizenden onderdelen. Die tot in detail moeten kloppen, want anders mislukt het experiment nog voordat het begonnen is.

Precisiewerk dus. Tot op de millimeter.

Om dat in goede banen te laten verlopen, komt André van Roij om de hoek kijken. Hij is de technische man van de onderzoeksgroep. Op de vraag of hij snapt hoe ieder onderdeel van de opstelling in elkaar zit, trekt hij een verbaasd gezicht. ‘Ja, natuurlijk’, reageert hij met een lach.

Haalbare ideeën – of niet

Van Roij stond zo’n dertig jaar geleden aan de wieg van de eerste deeltjesafremmers van de Radboud Universiteit. Destijds ging alles met de hand, inmiddels werkt hij met geavanceerde 3D-modellen op zijn computer, zodat alles van tevoren doorgerekend is. Er is geen boutje of schakeltje dat niet door de techneut bekeken is voordat het op een machine terechtkomt.

‘Soms komen ze (onderzoekers, red.) met ideeën en vragen ze mij om mee te denken over een opstelling’, vertelt hij. ‘Dan reken ik dat door en geef ik aan of ik denk dat het ook daadwerkelijk haalbaar is, of niet. Soms zitten er ideeën tussen die op papier misschien erg goed lijken, maar in de praktijk qua opstelling niet haalbaar zijn.’

Van de Meerakker vult aan, met een lach op zijn gelaat : ‘Wij kunnen zo gek mogelijke opstellingen bedenken voor ons onderzoek, maar uiteindelijk moet het toch echt eerst langs André voor goedkeuring.’