Laserspektroskopie

In der Atomphysik an der GSI werden Laser in einem breiten Bereich der Grundlagenforschung eingesetzt. In Kombination mit der Beschleunigerinfrastruktur der GSI werden viele einzigartige und bahnbrechende Experimente möglich. Diese werden zum Beispiel zum Testen fundamentaler Symmetrien, zur Bestimmung der Eigenschaften von stabilen und exotischen Kernen im Grundzustand und zur Untersuchung der atomaren Struktur der Aktiniden und superschweren Elemente eingesetzt. Weiterhin bieten die Laser die Möglichkeit, im Experimentalspeicherring ESR gespeicherte Ionen zu manipulieren und sogar zu kühlen. Die folgende Auflistung enthält Verweise auf verschiedene laserspektroskopische Experimente, die an der GSI durchgeführt werden. Viele dieser Untersuchungen sind mit Projekten an FAIR verbunden. Um die Laserexperimente zu unterstützen, kann die GSI modernes Laserequipment, wie etwa gepulste Nd-YAG Laser, einstellbare Dye Laser, Continuous Wave (cw) Pumplaser und damit betriebene durchstimmbare Ein-Frequenz Farbstoff- und Titan-Saphirlaser zur Verfügung stellen. Sogar ein moderner Frequenzkamm, basierend auf einem Femtosekunden Faserlasersystem, ist verfügbar.

Laserspektroskopie hochgeladener Ionen

First time ever measured hyperfine splitting in hydrogen-like ²⁰⁸Bi⁸²⁺

(GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung,Technische Universität Darmstadt, Westfälische Wilhelms Universität Münster, Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Johannes Gutenberg-Universität, Argonne National Laboratory, TRIUMF Canada, The University of Edinburg, Imperial College London)

Resonance
In our recent beamtime at the GSI, in May 2022, we succeeded to produce and separate a sufficient amount of ²⁰⁸Bi⁸²⁺, about 6×10⁵ ions, to observe for the first time a laser resonance signal of an accelerator-produced isotope in a storage ring [Horst, 2023].
The experimental observation of this hyperfine line is an important step towards the determination of the specific difference of ²⁰⁸Bi, which can provide one of the most significant tests of strong-field bound-state QED in the magnetic sector.

The specific difference
The measurement of the so-called specific difference, Δ’E, between the hyperfine structures in hydrogen-like ²⁰⁹Bi⁸²⁺ and lithium-like ²⁰⁹Bi⁸⁰⁺ is supposed to be the most significant QED test in the magnetic sector of strong-field QED [Shabaev, 2001]. Our most recent measurement (Ullmann, 2017) showed a large deviation (> 7σ) from the theoretical prediction [Volotka, 2012], but a new determination of the nuclear magnetic moment in ²⁰⁹Bi resolved this puzzle and brought the theoretical prediction in agreement with experiment [Skripnikov, 2018]. The specific difference is calculated and measured in order to remove the influence of the nuclear magnetic moment distribution (Bohr-Weisskopf effect) onto the hyperfine structure splitting. Taking the difference of two electronic systems (H-like and Li-like) with the same nucleus is expected to cancel. To test this cancelation experimentally, it was proposed to extend these kind of hyperfine studies to the radioactive isotope of ²⁰⁸Bi.

SpecTrap – Spectroscopy Trap

(Technische Universität Darmstadt, Johannes Gutenberg-Universität Mainz, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenförschung, Westfälische Wilhelms Universität Münster, Imperial College London)

SpecTrap ist eine kryogene Penningfalle, die dafür ausgelegt ist, hochgeladene Ionen vom EBIT oder einer anderen externen Quelle einzufangen und zu speichern. Die kryogene Umgebung sorgt für eine effiziente Kühlung der Ionen während der Speicherung, wodurch Präzisionsexperimente mit nahezu stillstehenden Ionen möglich werden. Ihre optischen Zugriffsmöglichkeiten ermöglichen außerdem Laserkühlung, Laseranregung und optische Beobachtung, so dass es ein ideales Werkzeug für Präzisionslaserspektroskopie hochgeladener Ionen darstellt. An der GSI, wird SpecTrap für Experimente mit solchen Teilchen eingesetzt, die die HITRAP Anlage liefern wird. Mehr Information findet man hier.

Tests of fundamental symmetries

SRT – Special Relativity Test

(Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Max-Planck-Institut für Kernphysik, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Helmholtz-Institut Mainz, University of Manitoba, Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Technische Universität Darmstadt)

Die Essenz der speziellen Relativitätstheorie (SR), als einer Theorie der lokalen Raumzeit ist die Lorentzinvarianz, die eine der fundamentalsten Symmetrien darstellt, welche den Aufbau aller Quantenfeldtheorien leitet. Außerdem enthält die Allgemeine Relativitätstheorie die SR als Grenzfall. Aufgrund dieser fundamentalen Rolle, existiert ein großes Interesse an experimentellen Untersuchungen der SR. Einer der Pfeiler der SR-Tests ist die Zeitdilatation. Schon 1907 wurde von Albert Einstein vorgeschlagen sie mit Hilfe des optischen Dopplereffekts zu messen. Das erste solche Experiment wurde schon 1938 von Ives und Stilwell (IS) durchgeführt, indem die Doppler-verschobenen Frequenzen v_p und v_a der H_β Linie (v₀) eines Wasserstoffionenstrahls in paralleler und antiparalleler Richtung mit einem konventionellen Spektrometer gemessen wurden. Das präziseste Ives-Stilwell Experiment wurde vor kurzem am Speicherring ESR an der GSI in Darmstadt abgeschlossen. ⁷Li⁺-Ionen, die im ESR gespeichert waren, wurden als bewegte Uhren bei 34% der Lichtgeschwindigkeit verwendet und durch die Anwendung von Sättigungsspektroskopie wurde die Resonanzfrequenz des ³S₁(F = 5/2)→³P₂(F = 7/2)-Übergangs gemessen. Weitere Details findet man in unserem Manuskript, eine Übersicht bei der Zeitschrift Physical Review Letters und in einen Artikel veröffentlichte bei Nature.

Laser spectroscopy of exotic short-lived nuclei

LaSpec - Laserspektroskopie radioaktiver Strahlen vom Super-Fragment-Separator an der Niedrigenergie-Strahlanlage des FAIR Projekts.

Laserspektroskopie kurzlebiger, weit vom Tal der Stabilität entfernter Isotope, ermöglicht die modellunabhängige Bestimmung von Kerneigenschaften im Grundzustand, wie etwa Ladungsradien und elektromagnetische Momente. Halokerne sind exotische Atomkerne die schwach gebundene Nukleonen (zumeist Neutronen), die sich weit vom restlichen Rumpfkern entfernen können.

Die Struktur dieser Kerne, obwohl vor mehr als 30 Jahren entdeckt, ist bislang nicht hinreichend verstanden. Mittels Präzisionslaserspektroskopie an diesen Isotopen können Informationen über die Ladungsradien dieser Kerne gewonnen werden. Solche Experimente sind sehr anspruchsvoll, da Haloisotope sehr kurze Halbwertszeiten - meist im Millisekundenbereich - besitzen und nur in winzigen Mengen hergestellt werden können. Zwei Kollaborationen, die von der Helmholtz Gruppe "LaserSpHERe" an der TU Darmstadt und der GSI geleitet werden, haben diese Herausforderung angenommen. Besuchen Sie die LaSpec-Seite.

Survey

Survey – Laserspektroskopie an radioaktiven Isotopen