German Title: Hochpräzise Messung der atomaren Masse von Deuteron

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Abstract

In the framework of this thesis, a measurement campaign on the atomic mass of the deuteron, the nucleus of deuterium, was conducted at the Penning-trap experiment Liontrap (Light-Ion TRAP). For this purpose, major parts of the original experimental facility were rebuilt and improved. The measurement principle at Liontrap is based on a comparison of the cyclotron frequency of the ion to of interest and the cyclotron frequency of a carbon ion. From this, the mass in atomic mass units is deduced. Liontrap is optimized on the special requirements of light ions, as inconsistencies in the combination of different measurements hamper the use of their mass values for applications for example in neutrino physics. In the measurement campaign, it was possible to measure the atomic mass of deuteron with a relative precision of 8.5 · 10^−12. This is the most precise measurement in atomic mass units to date. The value is a factor 2.4 more precise than the previously most precise measurement and shows a discrepancy of 5 standard deviations. Additionally, a measurement of the molecular ion HD+ was conducted. The mass of this molecular ion can be derived from the masses of the deuteron and the proton, previously also measured at Liontrap. The atomic mass of the electron and the molecular binding energy are sufficiently known to not add an additional uncertainty. Both values for the atomic mass of HD+ agree, giving a strong confidence check of the measurement methods used at Liontrap.

Translation of abstract (German)

Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde am Penningfallen-Experiment Liontrap (Light-Ion TRAP) eine Messkampagne zur Bestimmung der atomaren Masse von Deuteron, dem Atomkern von Deuterium, durchgeführt. Dafür wurden wesentliche Teile der ursprünglichen Experimentieranlage umgebaut und verbessert. Das Messprinzip im Liontrap-Experiment basiert auf dem Vergleich der Zyklotronfrequenz eines zu messenden Ions mit der Zyklotronfrequenz eines Kohlenstoffions, woraus die Masse in atomaren Masseneinheiten extrahiert wird. Dabei ist Liontrap optimiert auf die speziellen Anforderungen von leichten Ionen, da bei diesen Inkonsistenzen in der Kombination verschiedener Messungen die Verwendung der Massenwerte für Anwendungen beispielsweise in der Neutrinophysik erschweren. In der Messkampagne gelang es, die atomare Masse von Deuterium mit einer relativen Genauigkeit von 8,5 · 10−12 zu bestimmen. Dabei handelt es sich um die bislang genaueste Massenmessung in atomaren Masseneinheiten überhaupt. Der Wert ist um einen Faktor 2,4 genauer als die bislang weltweit genaueste Massenmessung von Deuteron und zeigt eine Diskrepanz von 5 Standardabweichungen. Zusätzlich wurde eine Massenmessung am Molekülion HD+ durchgeführt. Die Masse dieses Molekülions kann aus der bereits von Liontrap gemessenen atomaren Masse des Protons und der atomaren Masse von Deuterium abgeleitet werden, da die atomare Masse des Elektrons und die molekulare Bindungsenergie hinreichend genau bekannt sind. Die Übereinstimmung beider Werte für die atomare Masse von HD+ stellt einen starken Konsistenzcheck unserer Messmethoden dar.