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Quantenelektrodynamische Einflüsse auf die Lebensdauer metastabiler Zustände

Brenner, Günter

English Title: Contributions of Quantumelectrodynamics on the Lifetime of Metastable States

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Abstract

In dieser Arbeit wurden hochpräzise Messungen der Lebensdauer des metastabilen 1s^2 2s^2 2p ^2P_(3/2) Zustands in borartigem Ar XIV sowie des 3s^2 2p ^2P_(3/2) Zustands in aluminiumartigem Fe XIV unter Verwendung der Heidelberg Elektronenstrahl-Ionenfalle (HD-EBIT) durchgeführt. Die Lebensdauern wurden durch die Aufnahme des zeitlichen Verlaufs der optischen Zerfallskurven beim magnetischen Dipolübergang (M1) 1s^2 2s^2 2p ^2P_(3/2)–^2P_(1/2) bzw. 3s^2 3p ^2P_(3/2)–^2P_(1/2) in den Grundzustand mit einer Übergangswellenlänge von 441.256 nm bzw. 530.29 nm bestimmt. Mögliche systematische Störeffekte wurden im Detail untersucht, indem die Abhängigkeit der Zerfallszeiten von unterschiedlichen Fallenbedingungen mit äußerst hoher statistischer Signifikanz vermessen wurde. Ein neues und erstmalig bei Lebensdauermessungen an einer EBIT angewandtes Speicherschema ermöglichte Messungen mit einer im Bereich von hochgeladenen Ionen bis dato nicht erreichten Präzision. Die Resultate von 9.573(4)(+12/−5) ms (stat)(syst) bei Ar XIV bzw. 16.726(10)(+17) ms (stat)(syst) bei Fe XIV mit einer relativen Genauigkeit von 0.14% bzw. 0.13% machen diese Messungen erstmalig sensitiv auf quantenelektrodynamische Effekte wie das anomale magnetische Moment des Elektrons (EAMM). Die Ergebnisse, welche die Präzision bisheriger Messungen um einen Faktor 10 im Falle von Ar und einen Faktor 6 im Falle von Fe verbessern, weisen eine klare Diskrepanz von etwa 3 sigma bzw. 4 sigma zum Trend existierender theoretischer Modelle auf, die auf das EAMM hin korrigiert wurden und welche in beiden Fällen kürzere Lebensdauern vorhersagen. Der offensichtliche Widerspruch zwischen Experiment und den theoretischen Vorhersagen deutet auf die Unvollständigkeit der verwendeten theoretischen Modelle hin.

Translation of abstract (English)

High-precision lifetime measurements of the metastable 1s^2 2s^2 2p ^2P_(3/2) level in boronlike Ar XIV and the 3s^2 2p ^2P_(3/2) level in aluminumlike Fe XIV were performed at the Heidelberg electron beam ion trap (HD-EBIT). The lifetimes were inferred by monitoring their optical decay curves resulting from the magnetic dipole (M1) transition 1s^2 2s^2 2p ^2P_(3/2)–^2P_(1/2) and 3s^2 3p ^2P_(3/2)–^2P_(1/2)to the ground state configuration with transition wavelengths of 441.256 nm and 530.29 nm, respectively. Possible systematic error sources were investigated by studying the dependence of the decay times of the curves on various trapping conditions with high statistical significance. A new trapping scheme for lifetime measurements at an EBIT has been applied and allowed to reach an unprecedented precision in the realm of lifetime determinations on highly charged ions. The results of 9.573(4)(+12/−5) ms (stat)(syst) for Ar XIV and 16.726(10)(+17) ms (stat)(syst) for Fe XIV with a relative accuracy of 0.14% and 0.13%, respectively, make these measurements for the first time sensitive to quantum electrodynamic effects like the electron anomalous magnetic moment (EAMM). The results, improving the accuracy of previous measurements by factors of 10 and 6, respectively, show a clear discrepancy of about 3 sigma and 4 sigma the trend of existing theoretical models, which in almost all cases predict a shorter lifetime, when adjusted for the EAMM. The obvious disagreement between experimental results and the predictions points at the incompleteness of the theoretical models used.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Crespo López-Urrutia, Dr. Priv. José R.
Date of thesis defense: 17. July 2007
Date Deposited: 08. Aug 2007 12:31
Date: 2007
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Lebensdauerspektroskopie, Quantenelektrodynamik
Uncontrolled Keywords: Lifetime, Quantumelectrodynamics
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