Laserspektroskopie an hochgeladenen Bismutionen zum Test der Quantenelektrodynamik

Ullmann, Johannes GND

Die Arbeit behandelt einen Test der Quantenelektrodynamik in starken Feldern mit Hilfe von Laserspektroskopie der Grundzustandshyperfeinstruktur hochgeladener Bismutionen. Das Experiment wurde am Speicherring ESR des GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt durchgeführt und ausgewertet. Raumladungseffekte wurden systematisch untersucht und die Wellenlängenmessung des Lasers durch Absorptionsspektroskopie von Jod verifiziert. Durch eine in-situ Messung der Elektronenkühlerspannung ermittelte Ionengeschwindigkeit konnte die größte systematische Unsicherheit des vorherigen Experimentes um mehr als eine Größenordnung verringert werden. Dies zeigte die Notwendigkeit der Etablierung einer permanent installierten Hochspannungsmessung am Elektronenkühler, welche im Rahmen der Arbeit vorangetrieben wurde. Die aus den gemessenen Wellenlängen ermittelte spezifische Differenz weicht so signifikant von der theoretischen Vorhersage ab, dass keine der untersuchten Systematiken als Ursache der Abweichung in Frage kommt. Neben Zweifeln an den Werten aus der Theorie wird der Literaturwert des magnetischen Kernmoments von Bismut-209 als mögliche Ursache angeführt und im Ausblick dargestellt, wie in folgenden Experimenten dieses Rätsel gelöst werden könnte

Ths dissertation concerns a test of the theory of quantum electrodynamics in strong fields by laser spectroscopy of the ground state hyperfine splitting of highly charged bismuth ions. The experiment was performed and analyzed at the storage ring ESR at Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt. A systematic study of space charge effects was carried out and the laser wavelength measurement was verified by absorption spectroscopy of iodine. The determination of the ion velocity by an in-situ measurement of the electron cooler voltage reduced the main systematic uncertainty of the previous experiment by over an order of magnitude. This indicated the necessity to establish a permanent high voltage measurement at the electron cooler, which was promoted in this work. The measured wavelengths were combined in a specific difference which deviates significantly from the theoretical predictions. None of the investigated systematics has the magnitude to explain this deviation. Apart from doubts regarding theory, the literature value of the nuclear magnetic moment of Bismuth-209 is indicated as a possible explanation. Follow-up experiments to solve this puzzle are described in the outook.

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Ullmann, Johannes: Laserspektroskopie an hochgeladenen Bismutionen zum Test der Quantenelektrodynamik. Jena 2017.

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