Laser spectroscopy on lithium-like bismuth

Test of QED in strong fields by spectroscopy of hyperfine structure in highly ionized bismuth

Motivation

Die Quantenelektrodynamik (QED) ist eine der am besten getesteten physikalischen Theorien. Das gilt allerdings nur in relativ kleinen Feldern. Die QED in extremen Feldern wurde noch nicht so genau untersucht.

Fig. 1: E fields in hydrogen-like ions		Fig. 2: B fields in hydrogen-like and lithium-like ions

Im Labor kann man nur Feldstärken von etwa 10¹³ V/cm bzw. 10⁴ T erzeugen. In wasserstoffähnlichen Ionen befinden sich Elektronen in Feldern, die um einige Größenordnungen stärker sind. Dementsprechend groß werden die Einflüsse der QED-Effekte auf die Übergangswellenlängen der Hyperfeinstruktur (HFS). In wasserstoffähnlichem Bismut (Bi⁸²⁺) beträgt der Anteil etwa 10^-2. Allerdings ist der Unsicherheit des Bohr-Weißkopf-Effektes etwa gleich groß. Um dennoch den QED-Effekt quantitativ testen zu können, müssen Daten der 1s- und 2s-Orbitale verglichen werden [1]. Bi⁸²⁺ wurde im Vorgängerexperiment [2] auf fast 10^-4 genau vermessen, Bi⁸⁰⁺ (lithiumähnlich) nur auf 10^-2. In diesem Experiment soll auch Bi⁸⁰⁺ auf besser als 10^-4 vermessen werden.

Experimental implementation

Die HFS in Bi⁸⁰⁺ beträgt etwa 1550 nm. Die Ionen werden bei Energien von ~400 MeV/Nukleon erzeugt und im Experimentellen Speichering (ESR) an der GSI gespeichert. Bei kollinearer Überlagerung des Ionenstrahles mit dem Laserstrahl verschiebt sich die Anregungswellenlänge auf etwa 650 nm.
Nach dem Einschuss in den ESR werden die Ionen mit dem Elektronenkühler auf etwa Δp/p=10^-5 gekühlt und in zwei Bunche der Länge ~8 m geteilt.
Ein gepulster, Nd-YAG gepumpter Farbstofflaser schießt mit 30 Hz immer nur auf den einen Bunch, der andere bleibt unbeleuchtet. Im Unterschied zu ähnlichen Experimenten wurde nicht die Ionengeschwindigkeit, sondern die Laserwellenlänge gescannt.
Durch die lange Lebensdauer des oberen HFS-Niveaus von ~80 ms fluoreszieren die Ionen auf ihrem gesamten Umlauf und können auf der gegenüberliegenden Seite des ESR detektiert werden.

Fig. 3: Sketch of ESR with excitation region and detection region

Ein Spiegelsystem im Ring lenkt die Floureszenzphotonen auf einen Channel Photo Multiplier (CPM), im alten Aufbau des 2004 nicht geglückten Versuches Avanlanche Photo Diode (APD). Das Signal aus dem beleuchteten Bunch wird mit dem des unbeleuchteten Bunches verglichen. Nur so kann das Signal (ca. 40 s^-1) vom Untergrund (ca. 200 s^-1) unterschieden werden.

Fig. 4: New optimized mirror system with movable copper mirror

Im März 2010 wurde eine neue Detektoreinheit in den ESR kurz nach dem Gastarget eingebaut (siehe Fig. 4). Sie besteht aus einem Parabolspiegel, der in der Mitte eine langgezogene Ausfräsung besitzt, so, dass man den Spiegel in den gekühlten Strahl hineinfahren kann, um so die maximal blauverschobenen und vom relativistischen Strahl vorwiegend in Vorwärtsrichtung ausgesendeten Photonen effizient auf einen Photomultiplier oder einen anderen Einzelphotonendetektor zu lenken. Dieser Detektor wurde in Kollaboration mit der Gruppe von Prof. Christian Weinheimer in Münster entwickelt.

Beamtime

In der Strahlzeit im August 2011 hat die E083 Kollaboration eine direkte Signatur des Hyperfeinübergangs beobachtet. Abbildung 5 zeigt das untergrundkorrigierte Signal, das während etwa einer Stunde Strahlzeit akkumuliert wurde. Die detaillierte Analyse der während der Strahlzeit durchgeführten Scans wird einen ersten Test der QED in den extrem starken Feldern nahe des Atomkerns liefern. Außerdem ermöglichen sie die um 3-4 Größenordnungen genauere Spektroskopie von lithiumähnlichen Bismut in Spectrap.

Abb. 5: Akkumuliertes, untergrundkorrigiertes Signal aus etwa 1 h Strahlzeit. Die durchgezogenen Linie ist ein Gaußfit. Die Dreiecke sind die Residuen zum Fit.

References