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Experimental Test of Relativistic Time Dilation by Laser Spectroscopy of Fast Ions

Saathoff, Guido

German Title: Experimenteller Test der relativistischen Zeitdilatation durch Laserspektroskopie an schnellen Ionen

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Abstract

The present thesis deals with a modern version of the classical Ives-Stilwell experiment, which measures relativistic time dilation via the transverse Doppler effect. A deviation from the prediction given by Special Relativity would disprove the Relativity Principle and, therefore, single out a physically preferred reference frame. In order to enhance the accuracy of previous experiments in this sector, the systematics of two Doppler-free techniques of collinear laser spectroscopy on a fast (v=0.064c) ion beam in a storage ring have been investigated. The first technique, Lambda-spectroscopy on a closed Lambda-type three-level system, suffered from a strong, hitherto unaccounted line broadening in a previous test experiment. In this work this line broadening has been shown to be caused by processes changing the velocity of the ions during several to many roundtrips in the storage ring. Additionally, a method has been developed to supress this broadening. The second technique investigated is saturation spectroscopy, which turned out to be insensitive to velocity-changing processes. Together with the reduction of systematic errors the application of saturation spectroscopy has lead to a new upper limit for deviations from special relativistic time dilation, that improves the hitherto best value by a factor of 4.

Translation of abstract (German)

Die vorliegende Arbeit behandelt eine moderne Version des Ives-Stilwell Experiments, das über den transversalen Doppler-Effekt die relativistische Zeitdilatation mißt. Eine Abweichung von der von der Speziellen Relativitätstheorie gegebenen Vorhersage würde eine Verletzung des Relativitätsprinzips bedeuten und damit ein physikalisch ausgezeichnetes Bezugssystem festlegen. Um die Genauigkeit bisheriger Experimente auf diesem Gebiet zu erhöhen, wurde die Systematik zweier Doppler-freier Techniken kollinearer Laserspektroskopie an einem schnellen (v=0.064c) Ionenstrahl an einem Speicherring untersucht. Die erste Methode, Lambda-Spektroskopie an einem geschlossenen Lambda-artigen Dreiniveau-System, wurde in einem früheren Experiment durch eine starke, unerklärte Verbreiterung eingeschränkt. Als Ursache dieser Verbreiterung konnten in dieser Arbeit Geschwindigkeitsänderungen, die die Ionen bei einigen bis vielen Umläufen im Speicherring erfahren, identifiziert werden. Darüberhinaus konnte eine Methode entwickelt werden, mit der dieser Verbreiterungsmechanismus unterdrückt werden kann. Die zweite untersuchte Methode ist Sättigungsspektroskopie an einem geschlossenen Zweiniveau-System, die sich als insensitiv auf geschwindigkeitsändernde Effekte erwies. Zusammen mit der Reduzierung systematischer Fehler führte die Anwendung dieser Methode zu einer neuen, im Vergleich zur bisher genauesten Messung um einen Faktor 4 verbesserten oberen Schranke für Abweichungen von der speziell-relativistischen Zeitdilatation.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Schwalm, Prof. Dr. Dirk
Date of thesis defense: 20 November 2002
Date Deposited: 10 Dec 2002 13:08
Date: 2002
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Kollineare Laserspektroskopie, Spezielle Relativitätstheorie, Zeitdilatation, Ionenstrahl, Doppler-Effekt
Uncontrolled Keywords: collinear laser spectroscopy , Special Relativity , relativistic Doppler effect , time dilation , ion beam
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