Experimental studies of the ground state QED : corrections in H- and He-like uranium

In summary, the cooled heavy-ion beams of the ESR storage ring offer excellent experimental conditions for a precise study of the effects of QED in the groundstate of high-Z one- and two-electron ions. This has been demo
In summary, the cooled heavy-ion beams of the ESR storage ring offer excellent experimental conditions for a precise study of the effects of QED in the groundstate of high-Z one- and two-electron ions. This has been demonstrated within the series of experiments conducted at the electron cooler device as well as at the gasjet target. In this work we have used a recently developed experimental approach to obtain the first direct measurement of the two-electron contributions to the ground state binding energy of helium-like uranium. By employing our method, all one-electron contributions to the binding energy such as finite-nuclear size corrections and the one-electron self energy cancel out completely. Note, this is a distinctive feature of this particular kind of QED test and is in contrast to all other tests of bound state QED for high-Z ions such as 1s Lamb shift (in one-electron systems), g-factor of bound electrons, or hyperfine splitting. Compared to former investigations conducted at the superEBIT in Livermore we could already substantially improve the statistical accuracy and extend studies to the higher-Z regime. Moreover, our result has reached a sensitivity on specific two-electron QED contributions. Our value agrees with the theoretical predictions within the experimental uncertainty. Similar to the superEBIT experiment possible sources of systematic errors are essentially eliminated and the final result is limited only by counting statistics. For the case of the 1s Lamb shift in hydrogen-like uranium, the achieved accuracy of +- 4.2 eV is a substantial improvement by a factor of 3 compared to the most precise value up to now [44] (see Fig. 5.6). Our result already provides a test of the first-order QED contributions at the 1.5% level and only a slight improvement is required in order to achieve a sensitivity to QED contributions beyond first-order SE and VP.
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Für spektroskopische Untersuchungen an den schwersten Ein- und Zwei-Elektronensystemen bietet die Experimentier-Speicherringanlage für hochgeladene Ionen -ESR - bei GSI in Darmstadt ideale Voraussetzungen. Bei denen im R
Für spektroskopische Untersuchungen an den schwersten Ein- und Zwei-Elektronensystemen bietet die Experimentier-Speicherringanlage für hochgeladene Ionen -ESR - bei GSI in Darmstadt ideale Voraussetzungen. Bei denen im Rahmen dieser Arbeit am ESR durchgeführten Experimenten lag das Hauptaugenmerk auf einer präzisen Vermessung des Beitrags der Elektron-Elektron-Wechselwirkung zum Ionisationspotenzial im He-ähnlichen Uran, d.h den schwersten Zwei-Elektronensystemen, die gegenwärtig Experimenten zur Verfügung stehen. Diese repräsentieren die einfachsten atomaren Vielteilchensysteme, in denen aber auf Grund der hohen Kernladung zugleich relativistische Effekte, Korrelationen und QED-Beiträge eine wichtige Rolle spielen. Auf Grund des gewählten Experimentieraufbaus konnten zudem die Grundzustandübergänge für H-artiges Uran vermessen werden, so dass ebenso präzise Informationen für die Grundzustandsenergie des Urans mit nur einem Elektronen gewonnen werden konnten. Für den Zwei-Elektronenbeitrag zum Ionisationspotenzial im He-ähnlichen Uran konnte aus dem Experiment ein Wert von 2248 eV gewonnen werden, wobei eine Genauigkeit von 9 eV erreicht wurde. Für den Grundzustand in He-ähnlichen Ionen stellt dieses Ergebnis die bislang genaueste Bestimmung des Zwei-Elektronenbeitrags dar, deren Sensitivität erstmals an die Größe der spezifischen Zwei-Elektronen-QED Beiträge heranreicht. Generell sei hier betont, dass es im Rahmen dieser Arbeit erstmals gelang, die vorliegenden Daten für das Ionisationspotenzial schwerer He-ähnlicher Ionen auf U90+ zu erweitern. Der Vergleich mit der theoretischen Vorhersage liefert eine gute Bestätigung für die Theorie der QED für Vielteilchensysteme im Bereich extrem starker Felder. Zudem erfolgte auch eine Bestimmung für die 1s-Lamb-Verschiebung für das H-ähnliche Uran. Hierzu diente vor allem eine Auswertung der sehr intensiven charakteristischen 2P3/2 -> 1s1/2 Ly-alpha1 Strahlung. Aus einem Vergleich der Messergebnisse mit den Vorhersagen der Dirac-Theorie für einen punktförmigen Urankern folgt für die 1s-Lamb-Verschiebung ein Wert von 460 eV mit einer Genauigkeit von 4.2 eV. Dieses sehr präzise Ergebnis, das frühere Ergebnisse um einen Faktor Drei an Genauigkeit übertrifft, befindet sich in sehr guter Übereinstimmung mit neuesten theoretischen Modellrechnungen. Insbesondere kann durch das vorliegende Ergebnis die 1s-Lamb-Verschiebung in wasserstoffähnlichem Uran auf dem Niveau von 1.5% als gesichert angesehen werden. Hierdurch erfährt die Theorie der Quantenelektrodynamik in sehr starken Coulomb-Feldern eine hervorragende Bestätigung.
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Metadaten
Author:Alexandre Gumberidze
URN:urn:nbn:de:hebis:30-0000003046
Referee:Th.; Dr. habil. Stöhlker
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2003/10/07
Year of first Publication:2003
Publishing Institution:Univ.-Bibliothek Frankfurt am Main
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Univ.
Date of final exam:2003/07/07
Release Date:2003/10/07
Tag:Elektronen-Korrelation; Hochgeladene Ionen; Lambverschiebung; Quantenelektrodynamik (QED); atomare Strukturtheorie
HeBIS PPN:114171297
Institutes:Physik
Dewey Decimal Classification:530 Physik
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License Logo Veröffentlichungsvertrag für Publikationen

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