Laserspektroskopie einfacher myonischer Atome

• Antragsteller: Professor Dr. Randolf Pohl
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 407008443

Unser Ziel ist die erstmalige Bestimmung der Hyperfeinaufspaltung im 1S Grundzustand in myonischem Wasserstoff und myonischem Helium-3, mit 10^-6 relativer Genauigkeit. Daraus erhält man die entsprechenden Kernparameter mit 100fach besserer Genauigkeit. Dieser Antrag zielt auf Bau und Betrieb eines Lasersystems, von Cavities und Messelektronik.In myonischen Atomen bindet ein einzelnes negatives Myon an einen Kern. Wegen der 200mal größeren Masse des Myons ist der Bohrradius in myonischen Atomen 200mal kleiner ist als in normalen Atomen. Die Wellenfunktion des Myons im Kern ist 200^3 = 8 Millionen mal größer, was das Myon ausserordentlich sensibel auf die Kerngröße und -struktur macht.Selbst das Proton, aufgebaut aus Quarks und Gluonen, ist ein ausgedehntes Objekt mit innerer Struktur. Wir haben erstmalig den Ladungsradius des Protons mittels Laserspektroskopie dier 2S Lambverschiebung in myonischem Wasserstoff gemessen [Pohl, Antognini, Nez et al., Nature 466, 213 (2010)]. Der Ladungsradius gibt die mittlere Größe der Verteilung der elektischen Ladung an. Unser Wert ist 10mal genauer als der Mittelwert aller Messungen in Wasserstoff und elastischer Elektronenstreuung, weicht aber um mehr als 5 Standardabweichungen davon ab.Die hier vorgeschlagene HFS Messung verbessert die Genauigkeit der sog. Zweiphotonen-Beiträge (TPE) der Kernstruktur zur HFS um 2 Größenordnungen. Der elastische Teil der TPE beschreibt die magnetische Struktur des Kerns, oft ausgedrückt als Zemach-Radius. Diesen verbessern wir um einen Faktor 10.Die Unsicherheit des Zemach-Radius beschränkt den QED-Test mit der HFS in gewöhnlichem Wasserstoff auf 6 Dezimalstellen. Diese HFS (die berühmte „21 cm Linie“) wurde jedoch schon for 50 Jahren mit einer Genauigkeit von 12 Dezimalstellen gemessen! Unsere neue Messung wird den QED-Test mit der HFS in Wasserstoff und Helium-3 also um eine Größenordnung verbessern.Unsere myonische HFS-Messung wird am schweizer Paul-Scherrer-Institut (PSI) im Rahmen der CREMA-Kollaboration stattfinden. Dieser Antrag soll Bau und Betrieb des IR-Lasersystems und einer geeigneten Datennahme (DAQ) für CREMA realisieren. Neuartige optische parametrische Oszillatoren (OPO) ermöglichen die Erzeugung schmalbandiger Laserpulse höchster Energien. F. Nez (LKB) wird die Frequenzmessung und -regelung realisieren. R. Pohl (JGU) entwickelt die Spektroskopie-Kavitäten und die DAQ. A. Antognini (PSI) trägt den Myonenstrahl und den Pumplaser bei, finanziert aus existierenden Mitteln. Das OPO-basierte Lasersystem wird von uns 3 mit Hilfe des vorliegenden Antrags gemeinsam entwickelt. Die Entwicklung unseres Lasersystems im interessanten mittleren IR-Bereich hat wachsende Bedeutung in Spektroskopie, LIDAR, präziser Glasbearbeitung, neuen Analysen in der Molekularbiologie und in der Lasertherapie.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Dr. Francois Nez