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High-precision measurement of the proton’s atomic mass

Heiße, Fabian

German Title: Hochpräzise Messung der atomaren Masse des Protons

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Abstract

In the course of this thesis major parts of the new Penning trap experiment LIONTRAP (Light-Ion Trap) have been built up, the whole apparatus has been commissioned and characterized. This enabled the first two measurement campaigns, including the measurements of the proton’s and oxygen’s atomic masses.

The LIONTRAP experiment is dedicated to high-precision mass measurements of light ions. The measurement principle is based on the cyclotron frequency comparison of a carbon ion to the one of a light ion to determine its atomic mass. Therefore, the most harmonic cylindrical Penning trap described in the literature so far has been realized.

In the first measurement campaign, the proton’s atomic mass has been determined with an unrivaled relative precision of 3×10^−11. This result is a factor of three more precise compared to the literature value at this time, revealing a more than three standard deviation to it. Additionally, the oxygen’s atomic mass has been measured with the second best precision, in agreement with the literature value. During the second measurement campaign the largest systematic effect of the proton mass measurement, the image charge shift, has been analyzed. The achieved relative uncertainty of 5% is the second most precise measurement reported in literature so far. Moreover, the measured result is in very good accordance with the result predicted by dedicated simulations.

Translation of abstract (German)

Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden große Teile des neuen Penningfallen-Experimentes LIONTRAP (Light-Ion Trap) aufgebaut, das gesamte Experiment erstmalig in Betrieb genommen und vollständig charakterisiert. Weiterhin wurden die ersten beiden Messkampagnen zur Bestimmung der atomaren Masse des Protons und des Sauerstoffatoms durchgeführt.

Das LIONTRAP Experiment ist speziell für die Massenbestimmung von leichten Ionen optimiert. Dabei wird die Zyklotronfrequenz eines hochgeladenen Kohlenstoffions mit der des zu messenden Ions verglichen, um über dieses Zyklotronfrequenzverhältnis die atomare Masse des Ions zu extrahieren. Dafür wurde in LIONTRAP die harmonischste zylindrische Penningfalle realisiert, welche bisher in der Literatur beschrieben wurde.

In der ersten Messkampagne wurde die atomare Masse des Protons mit einer bisher unerreichten relativen Genauigkeit von 3×10^−11 bestimmt. Der neue Messwert ist nicht nur einen Faktor drei genauer als der zum Zeitpunkt der Messung gültige Literaturwert, sondern weist auch eine Diskrepanz von drei Standardabweichungen dazu auf. Zusätzlich wurde auch noch der zweitgenauste Wert für die Sauerstoffmasse bestimmt, welcher mit dem Literaturwert übereinstimmt. Darüber hinaus wurde in einer weiteren Messkampagne ebenfalls der größte systematische Effekt der Protonmassenmessung, der Bildladungseffekt, genau vermessen. Die erreichte relative Genauigkeit von 5% entspricht dabei der zweit genausten Messung dieses Effekts überhaupt. Zusätzlich stimmt das gemessene Ergebnis mit Simulationsvorhersagen überein.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Quint, Priv. Doz. Dr. Wolfgang
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 16 October 2019
Date Deposited: 14 May 2020 13:08
Date: 2020
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 530 Physics
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