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Laser Spectroscopy of ²⁰⁸Bi⁸²⁺ and Commissioning of the HITRAP Cooling Trap

Horst, Max Henrik (2023)
Laser Spectroscopy of ²⁰⁸Bi⁸²⁺ and Commissioning of the HITRAP Cooling Trap.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026367
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Laser Spectroscopy of ²⁰⁸Bi⁸²⁺ and Commissioning of the HITRAP Cooling Trap
Language: English
Referees: Nörtershäuser, Prof. Dr. Wilfried ; Walther, Prof. Dr. Thomas
Date: 7 December 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 127 Seiten in verschiedenen Zählungen
Date of oral examination: 22 November 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00026367
Abstract:

Today, quantum electrodynamics (QED) is considered the most precisely tested theory in physics. The most precise tests have been performed mainly on comparatively simple systems such as the free electron. However, since QED should also be valid in the most extreme electric and magnetic fields, according to today’s understanding, tests must be performed in this regime as well. Heavy and highly charged ions are suitable for this purpose, because the remaining electrons near the nucleus are exposed to these extreme fields. Since such ions do not occur naturally on earth, they must be produced artificially. This requires high energies and, especially for the heaviest elements, large accelerator facilities, such as the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt, Germany. In this work, laser spectroscopy of artificially produced ²⁰⁸Bi⁸²⁺ at relativistic energies was performed at the storage ring ESR of GSI. This is the first time that in-flight produced ions have been successfully studied by laser spectroscopy in a storage ring. The main challenge is the small amount of ions, which leads to low signal count rates in the detectors. In part due to the data analysis performed in this work, the measured background has been reduced to a point where the energy difference of the hyperfine splitting can be extracted. The obtained result is ²⁰⁸∆E⁽¹ˢ⁾ = 5598.97(1)(8) meV and represents an important milestone for the test of QED in the strongest magnetic fields. The accuracy of laser spectroscopy in storage rings like the ESR is limited by the velocity distribution of the ions. To improve the accuracy by several orders of magnitude, ion traps can be used. However, it is not possible to directly capture ions produced at relativistic energies in an ion trap. Therefore, in the second part of this work, the Cooling Trap of the HITRAP facility was commissioned. The task of the HITRAP facility is to decelerate the highly charged ions, to cool them and to transport them further to the subsequent experiments. The Cooling Trap is the final step of the deceleration process and is responsible for the sympathetic cooling of the ions by electrons. In this work, the Cooling Trap was commissioned with highly charged ions and electrons from local sources. Moreover, for the first time, ions and electrons were simultaneously stored in the Cooling Trap. This finally led to the first demonstration of cooling effects of electrons on highly charged ions in a Penning trap.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die Quantenelektrodynamik (QED) gilt heute als die am genauesten getestete Theorie der Physik. Die präzisesten Tests wurden dabei vor allem an vergleichsweise einfachen Systemen wie z.B. dem freien Elektron durchgeführt. Prüfungen in extrem starken elektrischen und magnetischen Feldern, in denen die QED nach heutigem Verständnis auch gültig sein sollte, haben noch nicht annähernd eine ähnliche Genauigkeit erreicht, was weitere Tests erforderlich macht. Dafür eignen sich schwere und hochgeladene Ionen, weil die verbliebenen Elektronen in Kernnähe diesen extremen Feldern ausgesetzt sind. Da solche Ionen auf der Erde nicht natürlich vorkommen, ist es notwendig sie künstlich zu erzeugen. Dies erfordert hohe kinetische Energien und insbesondere für die schwersten Elemente große Beschleunigeranlagen, wie das GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Laserspektroskopie an künstlich erzeugtem ²⁰⁸Bi⁸²⁺ bei relativistischen Energien am Speicherring ESR der GSI durchgeführt. Dies ist das erste Mal, dass auf diese Weise erzeugte Ionen in einem Speicherring erfolgreich laserspektroskopisch untersucht werden konnten. Die größte Herausforderung ist dabei die geringe Ionenanzahl, die zu niedrigen Signalzählraten in den Detektoren führt. Unter anderem durch die in dieser Arbeit durchgeführte Datenanalyse, konnte der gemessene Untergrund soweit reduziert werden, dass die Energiedifferenz der Hyperfeinaufspaltung extrahiert werden kann. Das erhaltene Ergebnis ist ²⁰⁸∆E⁽¹ˢ⁾ = 5598.97(1)(8) meV und bildet einen wichtigen Meilenstein für den Test der QED in den stärksten im Labor zugänglichen Magnetfeldern. Die Genauigkeit der Laserspektroskopie an Speicherringen wie dem ESR ist durch die Geschwindigkeitsverteilung der Ionen begrenzt. Mit Hilfe von Ionenfallen kann die Genauigkeit solcher Experimente um einige Größenordnungen verbessert werden. Allerdings ist es nicht möglich, die bei relativistischen Energien erzeugten Ionen direkt in einer Ionenfalle einzufangen. Daher wurde im zweiten Teil dieser Arbeit zusätzlich die Kühlfalle der HITRAP-Anlage in Betrieb genommen. Die Aufgabe der HITRAP-Anlage ist es, die hochgeladenen Ionen abzubremsen, zu kühlen und zu den angeschlossenen Experimenten weiter zu transportieren. Die Kühlfalle bildet den letzten Teil der Abbremsung und ist für die sympathetische Kühlung der Ionen durch Elektronen zuständig. In dieser Arbeit konnte die Kühlfalle mit hochgeladenen Ionen und Elektronen aus lokalen Quellen in Betrieb genommen werden. Darüber hinaus konnten erstmals Ionen und Elektronen gleichzeitig in der Kühlfalle gespeichert werden. Dies führte schließlich zum ersten Nachweis von Kühleffekten von Elektronen auf hochgeladene Ionen in einer Penningfalle.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-263672
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 530 Physics
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik > Atom- und Kernphysik radioaktiver Nuklide
Date Deposited: 07 Dec 2023 13:11
Last Modified: 08 Dec 2023 07:27
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/26367
PPN: 513769951
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