Laserspektroskopie der Grundzustands-Hyperfeinstruktur des lithiumähnlichen 209 Bi 80

Abstract

Die theoretische und experimentelle Untersuchung von wasserstoffähnlichen Systemen hat in den letzten hundert Jahren immer wieder sowohl die experimentelle als auch die theoretische Physik entscheidend vorangebracht. Formulierung und Test der Quantenelektrodynamik (QED) standen und stehen in engen Zusammenhang mit der Untersuchung wasserstoffähnlicher Systeme. Gegenwärtig sind besonders wasserstoffähnliche Systeme schwerer Ionen von Interesse, um die QED in den extrem starken Feldern in Kernnähe zu testen. Laserspektroskopische Messungen der Hyperfeinstrukturaufspaltung des Grundzustandes bieten eine hohe Genauigkeit, ihre Interpretation wird jedoch durch die Unsicherheit in der Größe der Kernstruktureffekte erschwert. Beseitigt werden können diese durch die Kombination der Aufspaltung in wasserstoff- und lithiumähnlichen Ionen des gleichen Nuklids. In den letzten zwei Jahrzehnten scheiterten mehrere dadurch motivierte Versuche, den HFS-Übergang in lithiumähnlichen 209Bi80+ zu finden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde kollineare Laserspektroskopie bei etwa 70% der Lichtgeschwindigkeit an 209Bi82+ und 209Bi80+ -Ionen im Experimentier- Speicherring an der GSI in Darmstadt durchgeführt. Dabei wurde der Übergang im lithiumähnlichen Bismut erstmals beobachtet und dessen Übergangswellenlänge zu 1554,74(74) nm bestimmt. Ein eigens für dieses Experiment optimiertes Fluoreszenz-Nachweissystem stellte dabei die entscheidende Verbesserung gegenüber den gescheiterten Vorgängerexperimenten dar. Der Wellenlängenfehler ist dominiert von der Unsicherheit der Ionengeschwindigkeit, die für die Transformation in das Ruhesystem der Ionen entscheidend ist. Für deren Bestimmung wurden drei Ansätze verfolgt: Die Geschwindigkeit wurde aus der Elektronenkühlerspannung bestimmt, aus dem Produkt von Orbitlänge und Umlauffrequenz und aus dem relativistischen Dopplereffekt unter Annahme der Korrektheit des früher bestimmten Überganges in wasserstoffähnlichen Bismut. Die Spannungskalibration des Elektronenkühlers wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmals kritisch evaluiert und bislang unterschätzte systematische Unsicherheiten aufgezeigt, die derzeit einen aussagekräftigen QED-Test verhindern. Umgekehrt konnte unter Verwendung der QED-Berechnungen eine Ionengeschwindigkeit berechnet werden, die ein genaueres und konsistenteres Resultat für die Übergangswellenlängen beider Ionenspezies liefert. Daraus ergibt sich eine Diskrepanz zu dem früher bestimmten Wert des Überganges in wasserstoffähnlichen Bismut, die es weiter zu untersuchen gilt.

Theoretical and experimental investigations of hydrogenlike systems have repeatedly advanced both experimental and theoretical physics over the past century. There was a particular fruitful interplay between establishing and testing quantum electrodynamics (QED) and investigation of hydrogenlike systems. Currently, especially hydrogenlike systems consisting of heavy ions are of special interest, as they provide the possibility to check QED in the extremely strong fields near the nucleus. Measuring the ground state hyperfine splitting by means of laser spectroscopy provides a high precision, however the interpretation of their results is hampered by the uncertainty of the size of nuclear structure effects. These contributions however cancel out in a specific combination of values of both hydrogenlike and lithiumlike ions of the same isotope. Therefore, in the last two decades, several unsuccessful attempts were undertaken to find the HF-transition in lithiumlike 209Bi80+. In the course of this thesis, a collinear laser spectroscopy experiment was performed with 209Bi82+ and 209Bi80+ -ions stored at about 70% of the speed of light in the Experimental-Storage-Ring at GSI in Darmstadt. The transition in lithiumlike Bi80+ was observed for the first time, and its transition wavelength was determined to 1554.74(74) nm. The key improvement in comparison to the failed previous experiments consists in the dedicated, newly designed fluorescence detection system. The wavelength uncertainty is dominated by the uncertainty of the ion speed, which is needed in order to transform the wavelength into the rest frame. Three different approaches of speed determination are considered: The speed was determined based on the electron cooler voltage, on the product of orbit length and revolution frequency, and on the relativistic effect, assuming the value of transition wavelength of hydrogenlike Bi 82+ determined in previous experiments. In the course of this thesis, the voltage calibration of the electron cooler was evaluated critically for the first time. The evaluation revealed systematical uncertainties, that have been underestimated so far. These uncertainties prevent a significant QED test to date. However, starting from QED-calculations, the ion speed and thus the rest frame transition wavelengths of both ion species could be inferred more precisely. The values found for the transition wavelength of lithiumlike Bi 82+ are in disagreement with the published value and motivate further investigations.