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High-precision laser spectroscopy of helium-like carbon 12C4+

Imgram, Phillip (2023)
High-precision laser spectroscopy of helium-like carbon 12C4+.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00023082
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: High-precision laser spectroscopy of helium-like carbon 12C4+
Language: English
Referees: Nörtershäuser, Prof. Dr. Wilfried ; Enders, Prof. Dr. Joachim
Date: 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 71, xxxii Seiten
Date of oral examination: 21 December 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00023082
Abstract:

The size of an atomic nucleus is a fundamental observable and defined by the distribution of the neutrons and protons composing the nucleus and the respective mean-square radii. The precise investigation of the nuclear size across the chart of nuclides delivers important benchmarks for nuclear structure theory and tests our fundamental knowledge of matter. In contrast to matter and neutron radii, the nuclear charge radius can be probed through the well-known electromagnetic interaction. Different techniques have been developed over time to measure nuclear charge radii such as elastic electron scattering or muonic atom spectroscopy. While these techniques are typically limited to stable nuclei, collinear laser spectroscopy and resonant ionization spectroscopy are used to determine nuclear charge radii of short-lived radioactive isotopes relative to a reference charge radius of a stable isotope. In some cases, this can limit the uncertainty of the obtained charge radii of radioactive nuclei to the uncertainty of the reference measurements from elastic electron scattering or muonic atom spectroscopy. To overcome this limit in light mass nuclei like 10, 11B, an all-optical approach for the charge radius determination purely from laser spectroscopy measurements and non-relativistic QED calculations was tested in this work with the well-known nucleus of 12C through laser excitation of helium-like 12C4+ from the metastable 1s2s 3S1 state with a lifetime of 21 ms to the 1s2p 3PJ states. The high-precision collinear laser spectroscopy was performed at the Collinear Apparatus for Laser Spectroscopy and Applied Science (COALA), situated at the Institute for Nuclear Physics at the Technical University Darmstadt. In order to produce the the highly charged C4+ ions, a new electron beam ion source including a Wien filter for charge/mass separation was installed and commissioned at COALA. Additionally, a new switchyard and beam diagnostics were designed, built and installed. The 1s2s 3S1 → 1s2p 3PJ rest-frame transition frequencies were determined with less than 2 MHz uncertainty through quasi-simultaneous collinear and anticollinear laser spectroscopy. These transition frequencies are in excellent agreement with state-of-the-art ab initio atomic structure calculations and an all-optical nuclear charge radius of 12C was extracted. Its accuracy is limited by theory, which must be improved by two orders of magnitude before the experimental uncertainty becomes significant again. At that point, the accuracy of the extracted charge radius would have already outperformed all previous measurements of this observable. Furthermore, the high precision of this work enabled the estimation of the next missing order in the atomic structure calculations and the transition frequencies from this work can be used together with ongoing measurements in 13C4+ for a conventional determination of the mean-square charge radius difference δ⟨r2⟩12,13 between 12C and 13C which has not been measured so far by laser spectroscopy.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Kollineare Laserspektroskopie und die Resonanz-Ionisations-Spektroskopie werden typischerweise verwendet, um Kernladungsradien von kurzlebigen radioaktiven Isotopen relativ zu einem Referenzladungsradius eines stabilen Isotops zu bestimmen. In manchen Fällen kann dies die Unsicherheit der erhaltenen Ladungsradien radioaktiver Kerne auf die Unsicherheit der Referenzmessungen aus der elastischen Elektronenstreuung oder der myonischen Atomspektroskopie limitieren. Um dieses Limit in Kernen mit leichter Masse wie 10, 11B zu überwinden, wurde in dieser Arbeit ein rein optischer Ansatz für die Ladungsradienbestimmung basierend auf Laserspektroskopiemessungen und nicht-relativistischen QED Rechnungen mit dem bekannten Kern von 12C getestet. Dafür wurden heliumähnliche 12C4+ Ionen durch einen Laser aus dem metastabilen 1s2s 3S1 Zustand, der eine Lebensdauer von 21 ms besitzt, in die 1s2p 3PJ Zustände angeregt. Die hochpräzise kollineare Laserspektroskopie wurde an der Kollinearen Apparatur für Laserspektroskopie and Angewandte Wissenschaft (KOALA) am Institut für Kernphysik der TU Darmstadt durchgeführt. Um die hochgeladenen C4+ Ionen zu produzieren, wurde eine Elektronenstrahl-Ionenquelle und ein Wien-Filter zur Separation des Ladung-zu-Masse-Verhältnis an KOALA installiert und in Betrieb genommen. Außerdem wurden eine neue Überlagerungseinheit (Switchyard) und eine neue Strahldiagnostik entworfen, gebaut und installiert. Die Kombination dieser Neuerungen erlaubte es erstmals die Ruhefrequenzen der 1s2s 3S1 → 1s2p 3PJ Übergänge mit weniger als 2 MHz Unsicherheit zu bestimmen. Dies gelang mittels quasi-simulataner kollinearer und antikollinearer Laserspektroskopie bei der sich zahlreiche systematische Unsicherheiten konventioneller kollinearer Spektroskopie eliminieren lassen. Die ermittelten Übergangsfrequenzen sind in exzellenter Übereinstimmung mit modernsten ab initio Atomstrukturrechnungen und mit deren Hilfe wurde ein rein optischer Kernladungsradius von 12C extrahiert. Dessen Genauigkeit ist noch durch die Genauigkeit der theoretischen Berechnungen limitiert, welche um zwei Größenordnungen verbessert werden müssten, bevor die experimentelle Unsicherheit wieder signifikant wird. Dann würde die Genauigkeit des aus den hier durchgeführten Messungen extrahierten Ladungsradius alle bisherigen Bestimmungen übertreffen. Zusätzlich ermöglicht die hier erreichte hohe Präzession eine Abschätzung der nächsthöheren, noch nicht berechneten Ordnung in den Atomstrukturrechnungen. Schließlich erlauben die gemessenen Übergangsfrequenzen zusammen mit noch laufenden Messungen in 13C4+ und konventionellen Berechnungen des Masseneffekts in der Isotopieverschiebung eine sehr genaue laserspektroskopische Bestimmung der Differenz der mittleren quadratischen Kernladungsradien von 12C und 13C, welche bislang noch nicht mittels Laserspektroskopie gemessen wurde.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-230828
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 530 Physics
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics
TU-Projects: DFG|SFB1245|A01 Nörtershäuser
Date Deposited: 27 Jan 2023 13:16
Last Modified: 19 Jun 2023 08:20
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/23082
PPN: 50569316X
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