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Theory Advances in High-Precision Two-Photon Spectroscopy

Haas, Martin

German Title: Fortschritte in der Theorie der Zweiphotonen-Hochpräzisionsspektroskopie

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Abstract

High-precision two-photon spectroscopy of hydrogen and hydrogenlike systems constitutes an exceptional tool for experimental tests of fundamental theories. In the analysis of these experiments, theory also plays a vital role in the modeling of time-resolved spectra, the calculation of precise transition matrix elements, and the correction of a number of systematic effects. This thesis gives a detailed analysis of the relevant two-photon excitation dynamics, starting from the single-atom response and leading to a Monte Carlo model which can be used for the analysis of atomic beam experiments. Dynamic polarizabilities of relevant S and D states, quantifying the dynamic Stark shift, and transition matrix elements among these states are calculated, taking into account leading-order relativistic, radiative and non-dipole laser-field effects. An important broadening effect of the experimentally observed spectra in the hydrogen 1S–2S spectroscopy experiment at the Max–Planck–Institut für Quantenoptik (MPQ) is identified and quantitatively described, as well as systematic frequency shifts. Corresponding possible improvements to the experimental setup are proposed. By combining the results of repeated MPQ hydrogen 1S–2S measurements and other experiments, in collaboration with the MPQ group, separate stringent limits on the possible drift of the magnetic moment of the cesium nucleus and the finestructure constant are deduced.

Translation of abstract (German)

Die Hochpräzisionsspektroskopie von Zweiphotonübergängen in Wasserstoff und wasserstoffartigen Systemen stellt ein außergewöhnliches Instrument für experimentelle Tests fundamentaler Theorien dar. In der Analyse dieser Experimente spielt die theoretische Physik eine wichtige Rolle bei der Modellierung zeitaufgelöster Spektren, der Berechnung präziser Übergangsmatrixelemente und der Korrektur systematischer Effekte. In dieser Arbeit wird die für diese Experimente relevante Zweiphotonen-Anregungsdynamik detailliert untersucht, ausgehend von der Dynamik eines einzelnen Atoms bis hin zu einem Monte Carlo Modell, das zur Analyse von Atomstrahlexperimenten verwendet werden kann. Die dynamischen Polarisierbarkeiten der entsprechenden S– und D–Zustände, die die Größe des dynamischen Stark Effekts bestimmen, und die zugehörigen Übergangsmatrixelemente werden berechnet. Dabei werden relativistische Korrekturen, Strahlungskorrekturen und Korrekturen zur Laserfeld-Dipolnäherung jeweils in führender Ordnung berücksichtigt. Ein wichtiger verbreiternder Effekt auf die experimentell beobachteten Spektren der 1S–2S Wasserstoffspektroskopie am Max–Planck–Institut für Quantenoptik (MPQ) wird identifiziert und quantitativ beschrieben, ebenso wie systematische Effekte, die frequenzverschiebend wirken. Es werden entsprechende mögliche Verbesserungen des Versuchsaufbaus vorgeschlagen. Durch Verknüpfung der Ergebnisse wiederholter MPQ-Messungen der Wasserstoff 1S–2S Absolutfrequenz mit Resultaten anderer Experimente, werden in Zusammenarbeit mit der Forschungsgruppe des MPQ unabhängige und stringente Einschränkungen der möglichen Drift des magnetischen Moments des Cäsiumkerns und der Feinstrukturkonstante abgeleitet.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Keitel, Prof. Dr. Christoph H.
Date of thesis defense: 5 July 2006
Date Deposited: 27 Jul 2006 13:03
Date: 2006
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Laserspektroskopie, Wasserstoffatom, Linienform, Dynamischer Stark-Effekt, Quantenelektrodynamik, Monte-Carlo-Simulation, Feinstrukturkonstante
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