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Abstract

Quantum electrodynamics is the best-tested fundamental theory. It is ubiquitous and contributes to almost all fundamental processes, starting with the interaction between light and matter. The Standard Model of particle physics is still incomplete and requires further research. It is therefore important to deepen the understanding of the most accessible processes. Quantum electrodynamics must therefore be tested in all its facets and its validity verified in extreme situations in order to be able to draw conclusions about our universe. To this end, three measurements on different charge states of highly charged tin are presented here. Hydrogen-like tin, a tin nucleus with a single bound electron, was injected into the Penning-trap experiment ALPHATRAP and the g factor of the bound electron was determined with a relative precision of 5 × 10^−10. Until now, all high-precision measurements of the g factor of highly charged ions were performed on elements with an atomic number Z ≤ 20. With Z = 50, the measurement on tin enables the theory to be tested in an unprecedented regime. From this conclusions can be drawn about the validity of quantum electrodynamics in the high electric fields to which the electron is exposed in the vicinity of the atomic nucleus. The g factor of lithium-like and boron-like tin has also been determined with similar accuracy. This makes it possible to study the interaction between the electrons. At the same time, various developments to improve these tests are presented.

Translation of abstract (German)

Die Quantenelektrodynamik ist die am besten getestete fundamentale Theorie. Sie ist allgegenwärtig und an fast allen grundlegenden Prozessen beteiligt, angefangen bei der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie. Noch ist das Standard-modell der Teilchenphysik unvollständig und bedarf weiterer Forschung. Daher ist es wichtig, das Verständnis der am besten zugänglichen Prozesse zu vertiefen. Die Quantenelektrodynamik muss daher in all ihren Facetten getestet und ihre Gültigkeit in Extremsituationen überprüft werden, um Rückschlüsse auf unser Universum ziehen zu können. Zu diesem Zweck werden hier drei Messungen an ver- schiedenen Ladungszuständen von hochgeladenem Zinn vorgestellt. Wasserstoffähnliches Zinn, ein Zinnkern mit einem einzelnen gebundenen Elektron, wurde in das Penning-Fallen-Experiment ALPHATRAP geladen und der g-Faktor des gebundenen Elektrons mit einer relativen Genauigkeit von 5×10^−10 bestimmt. Bisher waren alle hochpräzisen Messungen des g-Faktors auf Kerne mit einer Ordnungszahl Z ≤ 20 beschränkt. Mit Z = 50 erlaubt die Messung an Zinn die Überprüfung der Theorie in einem bisher unerreichten Regime. Dies erlaubt Rückschlüsse auf die Gültigkeit der Quantenelektrodynamik in den hohen elektrischen Feldern, denen das Elektron in der Nähe des Atomkerns ausgesetzt ist. Auch der g-Faktor von lithium- und borartigem Zinn wurde mit ähnlicher Genauigkeit bestimmt. Dies ermöglicht die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen den Elektronen. Gleichzeitig werden verschiedene Entwicklungen zur Verbesserung dieser Tests vorgestellt.