The Lamb shift in muonic hydrogen [Elektronische Ressource] = Die Lamb-Verschiebung in myonischem Wasserstoff / vorgelegt von Tobias Nebel

Tobias Nebel

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 25
• Langue: Deutsch
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Extrait

The Lamb Shift in Muonic Hydrogen
Die Lamb-Verschiebung in myonischem Wassersto
Tobias Nebel
Munchen im Mai 2010The Lamb Shift in Muonic Hydrogen
Die Lamb-Verschiebung in myonischem Wassersto
Tobias Nebel
Dissertation
an der Fakultat fur Physik
der Ludwig{Maximilians{Universitat
Munchen
vorgelegt von
Tobias Nebel
aus Munchen
Munchen, den 21. Mai 20101. Gutachter: Prof. Dr. Theodor W. Hansch
2. Guta Prof. Dr. Martin Faessler
Tag der mundlichen Prufung: 25. Juni 2010Meiner Familie.
Bild: Paul Scherrer Institut, Markus Fischer.Zusammenfassung
Diese Arbeit beschaftigt sich mit der erstmaligen Messung der 2S 2P Lamb-Verschiebung
in myonischem Wassersto ( p ). Wegen seines Potentials, den rms Protonenladungsradi-
p
2us r = hri zu extrahieren, wird dieses Experiment bereits seit 40 Jahren diskutiert.p r
Doch erst der Fortschritt auf dem Gebiet der Myonenstrahlen und der Lasertechnologie aus
jungster Zeit haben es nun realisierbar gemacht. In diesem Projekt, durchgefuhrt an der
Protonenbeschleuniger-Anlage des Paul{Scherrer{Instituts in der Schweiz, wurde das exoti-
sche Analogon zur klassischen Lamb-Verschiebung im Wassersto mittels Laserspektroskopie
untersucht.
Negativ geladene Myonen werden an einem speziell entwickelten Niederenergie-Myonen-
1strahl mit einer Rate von 330 s hergestellt und in 1 hPa H Gas gestoppt. Dort werden2
hoch angeregte p Atome gebildet, wovon die meisten prompt (innerhalb von 100 ns) in
den Grundzustand kaskadieren. Nur ein Bruchteil von 1:1 % formt p Atome im langlebi-
gen 2S Zustand mit einer Lebensdauer von 1.0s. Ein aufwendiges Lasersystem triggert auf
jedes einlaufende Myon und liefert Laserpulse mit 0.2 mJ Energie bei ’ 6m und einer
1Wiederholungsrate von 500 s . Der Laser beleuchtet die p Atome 900 ns nach der prompten
Myonenkaskade und treibt den 2S 2P Ubergang. Wahrend der nachfolgenden Abregung
in den 1S Grundzustand wird ein 1.9 keV K Rontgenphoton emittiert, welches von gro -
ac higen Avalanche-Photodioden detektiert wird. Eine Resonanzlinie erhalt man, wenn man
die Laserfrequenz durchstimmt und aus den entsprechenden Zeitspektren die Anzahl der
laserinduzierten K Photonen bestimmt.
Abbildung 1: 5
610
1.85×10 events
4Summierte Zeitspek- 10
300 3
10tren auf und neben der 2
10
Resonanz. Zeitspektren der 200 10
1K Photonen, summiert fur -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
100
Laserfrequenzen auf Reso-
nanz (oben) und neben der
0
5
610Resonanz (unten), in linearer 1.46×10 events
4
10
300und logarithmischer Skala. 310
2Die prompten K Ereignisse 10
200 10
sind blau unterlegt. Das
1
-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4Laserzeitfenster 900 ns nach 100
der prompten Kaskade ist rot
0markiert. -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
time [μs]
i
events in 25 nsF =1 F =2 Fur den gemessenen p (2S 2P ) Ubergang sind zwei solcher Zeitspektren in Fi-
1=2 3=2
gur 1 dargestellt. Diese sind einmal fur Laserfrequenzen auf und einmal neben der Resonanz
aufsummiert. Die laserinduzierten K Ereignisse heben sich klar vom exponentiell abfallen-
dem Untergrund ab. Eine Resonanzlinie (Figur 2(a)) erhalt man, indem man die Anzahl
der laserinduzierten K Ereignisse (rot) auf die prompten Ron tgenphotonen (blau) normiert
(wodurch Messzeitunterschiede berucksichtigt werden) und gegen die Laserfrequenz auftragt.
F =1 F =2 Fur die 2S 2P Ubergangsfrequenz in p erhalt man1=2 3=2
= 49 881 695 (711) MHz (1)2S 2P
5mit einer relativen Unsicherheit von 1:4 10 .
Unter der Annahme korrekter QED Berechnungen der Lamb-Verschiebung in p lasst
1sich ein neuer Wert fur den rms Protonenladungsradius r angeben : p
r = 0:84192 (65) fm (2)p
Dieser Wert ist 5:0 kleiner aber 10 mal praziser als der allgemein anerkannte CODATA-
Wertr = 0:8768 (69) fm, welcher hauptsachlich von Wassersto daten und QED-Rechnungenp
abhangt.
Verwendet man die genau gemessene 1S 2S Ubergangsfrequenz in Wassersto (relative
14Genauigkeit 1:4 10 ) in Verbindung mit unserem neuen Wert fur r , lasst sich ein neuerp
12Wert fur die Rydberg-KonstanteR mit einer relativen Genauigkeit von 1:510 ermitteln: 1
1R = 10 973 731:568 161 (16) m (3)1
Dies ist 110 kHz/c oder 4:9 vom CODATA-Wert entfernt, allerdings 4.6 mal genauer.
Der Ursprung dieser gro en Diskrepanz ist bis jetzt noch nicht verstanden. Die Abwei-
chung konnte durch fehlende QED Terme in Wassersto oder myonischem Wassersto , oder
durch unentdeckte Fehler in einigen anderen Wassersto spektroskopie-Experimenten hervor-
gerufen sein. Am faszinierendsten ware naturlic h, wenn der Grund in Neuer Physik zu nden
ware.
F =1 F =2 Neben dem hier prasentierten 2S 2P Ubergang in p wurden vier weitere Reso- 1=2 3=2
F =0 F =1nanzen in p und in myonischem Deuterium ( d ) untersucht, namlich der p (2S 2P ), 1=2 3=2
F =3=2 F =5=2 F =1=2 F =3=2 F =1=2 F =1=2
der d (2S 2P ), der d (2S 2P ) und der d (2S 2P )
1=2 3=2 1=2 3=2 1=2 3=2
Ubergang. All diese Daten bedurfen noch einer rigorosen Analyse, sollen aber trotzdem in
Figur 2(b)-(d) als vorlau ge Ergebnisse pr asentiert werden. Abgesehen von der erwahnten
Verbesserung des Protonenladungsradius und der Rydberg-Konstanten wird man mit Hilfe
dieser Daten in der Lage sein, die Genauigkeit des Deuteronladungsradiusr um einen Faktord
20 zu verbessern, einen neuen Wert fur den magnetischen Protonenradius (Zemach-Radius)
2mit einer relativen Genauigkeit von 3 10 zu liefern, einen experimentellen Wert fur die
Lamb-Verschiebung unabhangig vom (nicht genau bekannten) Zemach-Radius zu extrahieren
und die Deuteron-Polarisierbarkeit zu bestimmen.
1Die hier prasen tierten Ergebnisse sind etwas genauer als die in Ref. [1] vorgestellten und unter-
scheiden sich leicht von ihnen (z.B.r = 0:84184 (67) fm). Der Grund ist die hier vorgestellte verfeinertep
Datenanalyse.
iiour value7 CODATA-06
e-p scattering6
H O2
5 calib.
4
3
F =1 F =2 p (2S 2P ) 21=2 3=2
1(a)
0
49.75 49.8 49.85 49.9 49.95
laser frequency [THz]
6
5
4
3F =0 F =1 p (2S 2P )1=2 3=2
2
1(b)
0
54.55 54.6 54.65 54.7
laser frequency [THz]
10
8
6
F =3=2 F =5=2
d (2S 2P ) 4
1=2 3=2
2(c)
0
50.75 50.8 50.85 50.9
laser frequency [THz]
7
6
5F =1=2 F =3=2
d (2S 2P )
1=2 3=2
4
F =1=2 F =1=2
3 d (2S 2P )
1=2 3=2
2
(d) 1
0
52 52.05 52.1 52.15
laser frequency [THz]
Abbildung 2: Beobachtete Resonanzen inp undd. Die funf wahrend der 2009-Kampagne
gemessenen Resonanzen sind gegen die Frequenz aufgetragen. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der
Analyse und den Implikationen der Resonanz (a). Die Resonanzen (b){(d) verstehen sich als vorlau ge
online Daten und bedurfen noch einer genauen Analyse und Studie der Systematiken. Deshalb sind
deren Positionen nicht endgultig.
iii
PRELIMINARY
PRELIMINARY
PRELIMINARY
-4 -4 -4
delayed / prompt events [10 ] delayed / prompt events [10 ] delayed / prompt events [10 ]
-4
delayed / prompt events [10 ]iv