German Title: Hochpräzise Messung der Atommasse von Helium-4

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Abstract

Penning-trap mass spectrometry enables a precise determination of atomic masses, supporting sensitive tests of fundamental physics. LIONTRAP (Light Ion TRAP) is a specialized mass spectrometer focused on precise mass measurements of light ions. In this experiment, we currently reach a relative resolution of 10 parts-per-trillion (ppt) and beyond for atomic masses. The measurement principle involves comparing the cyclotron frequencies of the ions under investigation and a carbon ion, which are inversely proportional to their masses. In the scope of this thesis, a high-precision mass measurement of 4He2+ was performed. To this end, a source for gaseous species was developed, and an extensive investigation of the systematics affecting the mass measurements, including image charge shift, lineshape systematics, and others, was conducted. The mass determined herein has a relative precision of 12 ppt. Based on this, the atomic mass of the neutral atom is determined from the binding energies and the electron mass without loss of precision. The mass value exhibits a precision that is 1.3 times greater than the current literature value but deviates from it by 6.6 combined standard deviations. This result contributes to fundamental physics by potentially supporting the improvement of the electron mass via a g-factor determination of 4He+. Towards the end of the thesis, new developments are presented, including a test of the two-ion balance technique to improve the precision of the upcoming mass measurement.

Translation of abstract (German)

Die Penningtrap-Massenspektrometrie ermöglicht eine präzise Bestimmung von Atommassen und unterstützt damit empfindliche Tests der fundamentalen Physik. LIONTRAP (Light Ion TRAP) ist ein spezialisiertes Massenspektrometer, das auf präzise Massenmessungen von leichten Ionen ausgerichtet ist. Mit diesem Experiment erreichen wir derzeit eine relative Auflösung von 10−11 und besser für Atommassen. Das Messprinzip beruht auf dem Vergleich der Zyklotronfrequenzen der untersuchten Ionen und eines Kohlenstoffions, die umgekehrt proportional zu ihren Massen sind. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine hochpräzise Massenmessung von 4He2+ durchgeführt. Zu diesem Zweck wurde eine kryogene Atomquelle für gasförmige Elemente entwickelt und eine umfassende Untersuchung der systematischen Fehlerquellen welche die Massenmessungen beeinflussen, einschließlich des Bildladungseffektes, der Linienformsystematik und anderer Effekte, durchgeführt. Die hier ermittelte Masse hat eine relative Genauigkeit von 12 ×10−12. Auf dieser Grundlage wird die atomare Masse des neutralen Atoms mittels der bekannten Bindungsenergien und der Elektronenmasse ohne Verlust an Präzision bestimmt. Der Massenwert weist eine Genauigkeit auf die 1,3-mal größer ist als der Literaturwert, weicht aber um 6,6 kombinierte Standardabweichungen von diesem ab. Dieses Ergebnis trägt zur Grundlagenphysik bei, indem es die Verbesserung der Elektronenmasse durch eine Bestimmung des g-Faktors von 4He+ unterstützt. Gegen Ende der Arbeit werden neue Entwicklungen vorgestellt, darunter ein Test der Zwei-Ionen- Balkenwaagen Technik zur Verbesserung der Präzision zukünftiger Massenmessungen.