Het ontstaan van materie uit het niets was tot nu toe slechts theorie. Een superfluïd element biedt nu verbazingwekkende inzichten in dit fenomeen. Vancouver – In de natuurkunde zijn er fenomenen die zo extreem zijn dat ze zich onttrekken aan elke directe experimentele verificatie. Een daarvan is het Schwinger-effect – een theorie die stelt dat materie uit het schijnbare niets kan ontstaan. Een onderzoeksteam van de University of British Columbia (UBC) heeft nu een manier gevonden om dit fascinerende fenomeen in een controleerbare laboratoriumomgeving te simuleren en zo een kijkje te nemen in kosmische processen die anders alleen in de diepten van het heelal of aan het begin van het universum plaatsvinden.
Al in 1951 stelde natuurkundige Julian Schwinger een revolutionaire theorie op: als je een voldoende sterk elektrisch veld aan een vacuüm toevoegt, kunnen er spontaan elektron-positronparen ontstaan – als het ware uit het niets. Het probleem: de benodigde elektrische velden zijn zo krachtig dat ze ver buiten het bereik van de huidige experimenten liggen. Het Schwinger-effect bleef daarom tot nu toe een onbevestigde theorie.
Natuurkundigen gebruiken helium-4 en beschrijven verbazingwekkende resultaten
De onderzoekers Philip Stamp en Michael Desrochers van de UBC hebben nu een slimme omweg gevonden. In hun recent in het vakblad PNAS gepubliceerde studie beschrijven ze hoe in plaats van het vacuüm een flinterdunne film van superfluïde helium-4 en in plaats van het elektrische veld de achtergrondstroom van de superfluïde kan worden gebruikt. “Superfluïde helium-4 is een wonder. Met een dikte van slechts enkele atoomlagen kan het zeer gemakkelijk worden afgekoeld tot een temperatuur waarbij het zich praktisch in een wrijvingsloze vacuümtoestand bevindt”, legt Stamp uit in een bericht.
In dit kunstmatige vacuüm gebeurt iets verbazingwekkends wanneer het in beweging wordt gebracht, beschrijven de onderzoekers: “Wanneer we dit wrijvingsloze vacuüm laten stromen, verschijnen er in plaats van elektron-positronparen spontaan wervel-/anti-wervelparen die in tegengestelde richtingen roteren”, aldus Stamp.
Helium-4-film zou kunnen helpen om fundamentele vragen in het universum te begrijpen
Het belang van dit onderzoek reikt veel verder dan een loutere laboratoriumdemonstratie. Het model van de UBC-fysici zou kunnen helpen om fundamentele kosmische verschijnselen beter te begrijpen. “Wij geloven dat de helium-4-film een mooie analogie biedt voor verschillende kosmische verschijnselen”, voegt Stamp toe. “Het vacuüm in de ruimte, kwantumzwarte gaten, zelfs het begin van het universum zelf. En dat zijn verschijnselen die we nooit in een direct experiment kunnen onderzoeken.”
Eerdere onderzoeken naar wervelingen in superfluïda behandelden de wervelmassa als een onveranderlijke constante. Stamp en Desrochers konden echter aantonen dat deze massa drastisch verandert wanneer de wervelingen bewegen – een bevinding die ons begrip van wervelingen in zowel vloeistoffen als het vroege universum fundamenteel verandert. “Het is spannend om te begrijpen hoe en waarom de massa varieert en hoe dit ons begrip van kwantumtunnelprocessen beïnvloedt, die alomtegenwoordig zijn in de natuurkunde, scheikunde en biologie”
