Test der Speziellen Relativitätstheorie mittels Laserspektroskopie an relativistischen 7 Li +-Ionen am ESR

Die Invarianz physikalischer Gesetze unter Lorentztransformationen ist eines der fundamentalen Postulate der modernen Physik und alle Theorien der grundlegenden Wechselwirkungen sind in kovarianter Form formuliert. Obwohl die Spezielle Relativitätstheorie (SRT) in einer Vielzahl von Experimenten mit hoher Genauigkeit überprüft und bestätigt wurde, sind aufgrund der weitreichenden Bedeutung dieses Postulats weitere verbesserte Tests von grundsätzlichem Interesse. Darüber hinaus weisen moderne Ansätze zur Vereinheitlichung der Gravitation mit den anderen Wechselwirkungen auf eine mögliche Verletzung der Lorentzinvarianz hin. In diesem Zusammenhang spielen Ives-Stilwell Experimente zum Test der Zeitdilatation in der SRT eine bedeutende Rolle. Dabei wird die hochauflösende Laserspektroskopie eingesetzt, um die Gültigkeit der relativistischen Dopplerformel – und damit des Zeitdilatationsfaktors γ – an relativistischen Teilchenstrahlen zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Ives-Stilwell Experiment an 7Li+-Ionen, die bei einer Geschwindigkeit von 34 % der Lichtgeschwindigkeit im Experimentierspeicherring (ESR) des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung gespeichert waren, durchgeführt. Unter Verwendung des 1s2s3S1→ 1s2p3P2-Übergangs wurde sowohl Λ-Spektroskopie als auch Sättigungsspektroskopie betrieben. Durch die computergestützte Analyse des Fluoreszenznachweises und unter Verwendung optimierter Kantenfilter für den Nachweis konnte das Signal zu Rauschverhältnis entscheidend verbessert und unter Einsatz eines zusätzlichen Pumplasers erstmals ein Sättigungssignal beobachtet werden. Die Frequenzstabilität der beiden verwendeten Lasersysteme wurde mit Hilfe eines Frequenzkamms spezifiziert, um eine möglichst hohe Genauigkeit zu erreichen. Die aus den Strahlzeiten gewonnen Daten wurden im Rahmen der Robertson- Mansouri-Sexl-Testtheorie (RMS) und der Standard Model Extension (SME) interpretiert und entsprechende Obergrenzen für die relevanten Testparameter der jeweiligen Theorie bestimmt. Die Obergrenze für den Testparameter α der RMS-Theorie konnte gegenüber den früheren Messungen bei 6,4 % der Lichtgeschwindigkeit am Testspeicherring (TSR) des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg um einen Faktor 4 verbessert werden.The invariance under Lorentz transformation of the laws of physics is a fundamental postulate of modern physics and all theories of the fundamental interactions have been stated in a covariant form. Although the theory of Special Relativity (SR) has been tested and confirmed with high accuracy in a large number of experiments, improved tests are of fundamental interest due to the far-reaching relevance of this postulate. Additionally modern attempts of a unified description of the four fundamental interactions point to possible violations of Lorentz invariance. In this context experiments of the Ives-Stilwell type for a test of time dilation play an important role. High resolution laser spectroscopy is applied on relativistic particle beams to investigate the validity of the relativistic Doppler formula – and therefore of the time dilation factor γ. In the course of this thesis an Ives-Stilwell experiment was performed with7Li+ions at a velocity of 34 % of the speed of light, which were stored at the experimental storage ring (ESR) of the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung. The techniques of Λ- as well as saturation spectroscopy were employed on the 1s2s3S1→ 1s2p3P2transition. By a computer based analysis of the fluorescence detection system and utilization of appropriate edge filters the signal to noise ratio was decisively improved and the application of an additional pump laser allowed for the observation of a saturation signal for the first time. The frequency stability of both laser systems was specified by means of a frequency comb to obtain the highest possible accuracy. The data from the beam times were analyzed in the frameworks of the Robertson-Mansouri-Sexl test theory (RMS) and the Standard Model Extension (SME) and the corresponding upper limits of the relevant test parameters of the assigned theories were calculated. The upper limit of the parameter α was improved by a factor of 4 compared to earlier measurements performed at a velocity of 6.4 % of the speed of light at the test storage ring (TSR) at the Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg.134 S

Test of Time Dilation Using Stored Li+ Ions as Clocks at Relativistic Speed

We present the concluding result from an Ives-Stilwell-type time dilation experiment using 7Li+ ions confined at a velocity of beta = v/c = 0.338 in the storage ring ESR at Darmstadt. A Lambda-type three-level system within the hyperfine structure of the 7Li+ triplet S1-P2 line is driven by two laser beams aligned parallel and antiparallel relative to the ion beam. The lasers' Doppler shifted frequencies required for resonance are measured with an accuracy of < 4 ppb using optical-optical double resonance spectroscopy. This allows us to verify the Special Relativity relation between the time dilation factor gamma and the velocity beta to within 2.3 ppb at this velocity. The result, which is singled out by a high boost velocity beta, is also interpreted within Lorentz Invariance violating test theories

Observation of the hyperfine transition in lithium-like Bismuth 209Bi80+^{209}\text{Bi}^{80+}: Towards a test of QED in strong magnetic fields

We performed a laser spectroscopic determination of the $2s$ hyperfine splitting (HFS) of Li-like $^{209}\text{Bi}^{80+}$ and repeated the measurement of the $1s$ HFS of H-like $^{209}\text{Bi}^{82+}$. Both ion species were subsequently stored in the Experimental Storage Ring at the GSI Helmholtzzentrum f\"ur Schwerionenforschung Darmstadt and cooled with an electron cooler at a velocity of $\approx 0.71\,c$. Pulsed laser excitation of the $M1$ hyperfine-transition was performed in anticollinear and collinear geometry for $\text{Bi}^{82+}$ and $\text{Bi}^{80+}$, respectively, and observed by fluorescence detection. We obtain $\Delta E^{(1s)}= 5086.3(11)\,\textrm{meV}$ for $\text{Bi}^{82+}$, different from the literature value, and $\Delta E^{(2s)}= 797.50(18)\,\textrm{meV}$ for $\text{Bi}^{80+}$. These values provide experimental evidence that a specific difference between the two splitting energies can be used to test QED calculations in the strongest static magnetic fields available in the laboratory independent of nuclear structure effects. The experimental result is in excellent agreement with the theoretical prediction and confirms the sum of the Dirac term and the relativistic interelectronic-interaction correction at a level of 0.5% confirming the importance of accounting for the Breit interaction.Comment: 5 pages, 2 figure

Test der Speziellen Relativitätstheorie mittels Laserspektroskopie an relativistischen 7 Li +-Ionen am ESR

Die Invarianz physikalischer Gesetze unter Lorentztransformationen ist eines der fundamentalen Postulate der modernen Physik und alle Theorien der grundlegenden Wechselwirkungen sind in kovarianter Form formuliert. Obwohl die Spezielle Relativitätstheorie (SRT) in einer Vielzahl von Experimenten mit hoher Genauigkeit überprüft und bestätigt wurde, sind aufgrund der weitreichenden Bedeutung dieses Postulats weitere verbesserte Tests von grundsätzlichem Interesse. Darüber hinaus weisen moderne Ansätze zur Vereinheitlichung der Gravitation mit den anderen Wechselwirkungen auf eine mögliche Verletzung der Lorentzinvarianz hin. In diesem Zusammenhang spielen Ives-Stilwell Experimente zum Test der Zeitdilatation in der SRT eine bedeutende Rolle. Dabei wird die hochauflösende Laserspektroskopie eingesetzt, um die Gültigkeit der relativistischen Dopplerformel – und damit des Zeitdilatationsfaktors γ – an relativistischen Teilchenstrahlen zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Ives-Stilwell Experiment an 7Li+-Ionen, die bei einer Geschwindigkeit von 34 % der Lichtgeschwindigkeit im Experimentierspeicherring (ESR) des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung gespeichert waren, durchgeführt. Unter Verwendung des 1s2s3S1→ 1s2p3P2-Übergangs wurde sowohl Λ-Spektroskopie als auch Sättigungsspektroskopie betrieben. Durch die computergestützte Analyse des Fluoreszenznachweises und unter Verwendung optimierter Kantenfilter für den Nachweis konnte das Signal zu Rauschverhältnis entscheidend verbessert und unter Einsatz eines zusätzlichen Pumplasers erstmals ein Sättigungssignal beobachtet werden. Die Frequenzstabilität der beiden verwendeten Lasersysteme wurde mit Hilfe eines Frequenzkamms spezifiziert, um eine möglichst hohe Genauigkeit zu erreichen. Die aus den Strahlzeiten gewonnen Daten wurden im Rahmen der Robertson-Mansouri-Sexl-Testtheorie (RMS) und der Standard Model Extension (SME) interpretiert und entsprechende Obergrenzen für die relevanten Testparameter der jeweiligen Theorie bestimmt. Die Obergrenze für den Testparameter α der RMS-Theorie konnte gegenüber den früheren Messungen bei 6,4 % der Lichtgeschwindigkeit am Testspeicherring (TSR) des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg um einen Faktor 4 verbessert werden

Laser spectroscopy measurement of the 2s-hyperfine splitting in lithium-like bismuth

We have recently reported on the first direct measurement of the $2s$ hyperfine transition in lithium-like bismuth (209Bi80+) at the GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research in Darmstadt, Germany. Combined with a new measurement of the $1s$ hyperfine splitting (HFS) in hydrogen-like (209Bi82+) the so-called specific difference ${\rm{\Delta }}^{\prime} E=-61.37(36)$ meV could be determined and was found to be in good agreement with its prediction from strong-field bound-state quantum electrodynamics. Here we report on additional investigations performed to estimate systematic uncertainties of these results and on details of the experimental setup. We show that the dominating uncertainty arises from insufficient knowledge of the ion beam velocity which is determined by the electron-cooler voltage. Two routes to obtain a cooler-voltage calibration are discussed and it is shown that agreement can be reached either between the experimental ${\rm{\Delta }}^{\prime} E$ and the theoretical result, or between the two measurements of the HFS in hydrogen-like bismuth, but not both at the same time