German Title: Messung der Zerfallsrate des negativen Positronium-Ions

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Abstract

Consisting of a positron and two electrons, the negative ion of positronium is one of the simplest three-body systems with a bound state. Its constituents are stable, point-like particles, and due to the small particle masses, it is essentially free from perturbations by strong interaction effects. Together with the rather unique mass ratio, these properties make the Ps ion an interesting object for studying the quantum-mechanical three-body problem. Despite numerous theoretical investigations, the published experimental results are so far limited to a first observation and a single decay rate measurement. With a precision of 4.3%, its error is still an order of magnitude larger than the theoretical uncertainty. In this thesis, after giving a short review of the currently available theoretical results, a new determination of the decay rate is reported. This includes an exploratory experiment along the lines of the old one and a more precise measurement using an improved detection method. In the latter one, the error has been reduced to 0.8%. Moreover, the maximum precision that can be reached with the current set-up is investigated, and the prospects for further experiments at the new high-intensity positron source NEPOMUC at the FRM II research reactor in Munich are discussed.

Translation of abstract (German)

Das aus einem Positron und zwei Elektronen zusammengesetzte negative Positronium-Ion stellt eines der einfachsten gebundenen Dreikörpersysteme dar. Es besteht aus stabilen, punktförmigen Teilchen, und wegen der geringen Teilchenmassen ist es weitgehend frei von Störungen duch die starke Wechselwirkung. Diese Eigenschaften sowie das ungewöhnliche Massenverhältnis lassen das Positronium-Ion zu einem interessanten Studienobjekt zur Untersuchung des quantenmechanischen Dreikörperproblems werden. Trotz einer Vielzahl theoretischer Arbeiten beschränken sich die veröffentlichten experimentellen Ergebnisse bislang auf einen Nachweis der Existenz des Positronium-Ions und eine erste Messung seiner Zerfallsrate, deren Fehler mit 4,3% noch eine Größenordnung über der theoretischen Genauigkeit liegt. In der vorliegenden Arbeit wird nach einem kurzen Überblick über die bislang veröffentlichten theoretischen Ergebnisse eine neue Messung der Zerfallsrate vorgestellt. Diese umfasst einerseits ein Testexperiment nach dem schon früher verwendeten Prinzip, andererseits eine präzisere Messung, die auf einer verbesserten Nachweismethode basiert und den experimentellen Fehler auf 0,8% reduziert. Darüberhinaus wird die mit dem vorhandenen Aufbau maximal erreichbare Genauigkeit abgeschätzt, und die Möglichkeiten für weitere Experimente an der neuen, intensiven Positronenquelle NEPOMUC am Forschungsreaktor FRM II in München werden diskutiert.