Laser Spektroskopie

In der Atomphysik an der GSI werden Laser in einem breiten Bereich der Grundlagenforschung eingesetzt. In Kombination mit der Beschleunigerinfrastruktur der GSI werden viele einzigartige bahnbrechende Experimente möglich. Diese werden zum Beispiel zum Testen fundamentaler Symmetrien, zur Bestimmung der Eigenschaften von stabilen und exotischen Kernen im Grundzustand und zur Untersuchung der atomaren Struktur der Aktiniden und superschweren Elemente eingesetzt. Weiterhin bieten die Laser die Möglichkeit, im Experimentalspeicherring ESR gespeicherte Ionen zu manipulieren und sogar zu kühlen. Die folgende Auflistung enthält Verweise auf verschiedene laserspektroskopische Experimente, die an der GSI durchgeführt werden. Viele dieser Untersuchungen sind mit Projekten, die für das Zukunftsprojekt FAIR geplant sind, verbunden. Um die Laserexperimente zu unterstützen, kann die GSI modernes Laserequipment, wie etwa gepulste Nd-YAG Laser, einstellbare Dye Laser, Continuous Wave (cw) Pumplaser und damit betriebene durchstimmbare Ein-Frequenz Farbstoff- und Titan-Saphirlaser zur Verfügung stellen. Sogar ein moderner Frequenzkamm, basierend auf einem Femtosekunden Faserlasersystem, ist verfügbar.

Tests fundamentaler Symmetrien

TIME - Die Zeitdilatation der Speziellen Relativitätstheorie auf dem Prüfstand am ESR
(Universität Mainz, LMU München, MPIK Heidelberg, MPQ München)

Die Essenz der speziellen Relativitätstheorie (SR), als einer Theorie der lokalen Raumzeit ist die Lorentzinvarianz, die eine der fundamentalsten Symmetrien darstellt, welche den Aufbau aller Quantenfeldtheorien leitet. Außerdem enthält die Allgemeine Relativitätstheorie die SR als Grenzfall. Aufgrund dieser fundamentalen Rolle, existiert ein großes Interesse an experimentellen Untersuchungen der SR. Einer der Pfeiler der SR-Tests ist die Zeitdilatation. Schon 1907 wurde von Albert Einstein vorgeschlagen sie mit Hilfe des optischen Dopplereffekts zu messen. Das erste solche Experiment wurde schon 1938 von Ives und Stilwell (IS) durchgeführt, indem die Doppler-verschobenen Frequenzen v_p und v_a der H_β Linie (v₀) eines Wasserstoffionenstrahls in paralleler und antiparalleler Richtung mit einem konventionellen Spektrometer gemessen wurden. Das präziseste Ives-Stilwell Experiment wurde vor kurzem am Test Speicherring TSR am MPIK in Heidelberg abgeschlossen. An der GSI wird dieses Experiment am ESR wiederholt werden, da dieser Ionen mit einer 5-fach höheren Geschwindigkeit bereitstellen kann und deshalb eine nennenswerte Erhöhung der Genauigkeit zulässt. ⁷Li⁺-Ionen, die im ESR gespeichert sind, werden als bewegte Uhren bei 34% der Lichtgeschwindigkeit verwendet und durch die Anwendung von Sättigungsspektroskopie wird die Resonanzfrequenz des 3S1(F = 5/2)→3P2(F = 7/2)-Übergangs gemessen. Weitere Details hierzu gibt es hier.
(Participating Institutes: MPIK Heidelberg, Universität Mainz, MPQ Munich)

Laserspektroskopie exotischer kurzlebiger Kerne (LaserSphere)

ToPLiS – Zwei Photonen Lithiumspektroskopie und der Ladungsradius von ¹¹Li
Erstmalige Bestimmung des Ladungsradius vom Halokern ¹¹Li
(Universität Tübingen, Universität Mainz, TRIUMF, PNNL, University of Windsor, University of New Brunswick)

Die ToPLiS (Zwei Photonen Lithium Spektroskopie) Kollaboration hat 2003 erstmalig die Kernladungsradien kurzlebiger Isotope, die leichter als Neon sind, gemessen. Eine neuartige Laserspektroskopietechnik, die Doppler-freie Zweiphotonen Spektroskopie und Resonanzionisationsmassenspektroskopie kombiniert, wurde dazu enwickelt und direkt an einer Beschleunigeranlage (on-line) angewendet. Diese ermöglichte es hohe Effizienzen bei gleichzeitig hoher Präzision zu erreichen. Notwendig ist dies, weil nur wenige tausend Atome der exotischen Art ¹¹Li pro Sekunde erzeugt werden können und weil der Kernvolumeneffekt, der die Ladungsradiusinformation trägt, nur einen winzigen Bruchteil der gemessenen Isotropieverschiebung ausmacht. Für weitere Informationen, klicken Sie bitte hier...

BeTINa - Eine Paulfalle zur Untersuchung des Ladungsradius von ¹¹Be
(Universität Mainz, Universität Tübingen, Universität Ulm, ISOLDE, PNNL, University of Windsor, University of New Brunswick)

Die BeTINa (Beryllium Falle zur Untersuchung von Kernladungsradien) Kollaboration hat zum Ziel, den Ladungsradius vom Ein-Neutronen-Halokern ¹¹Be zu bestimmen, indem Präzisionslaserspektroskopie an lasergekühlten Ionen in einer Radiofrequenz-Paulfalle durchgeführt wird. Radioaktive Berylliumionen werden an der ISOLDE erzeugt und dann in einer zweistufigen Paulfalle gefangen. Die erste Stufe dient zum Einfangen und Vorkühlen der Ionen , die zweite Stufe zur Spektroskopie. Mehr zu diesem Projekt finden Sie hier...

LaSpec
Laserspektroskopie radioaktiver Strahlen vom Super-Fragment-Separator an der Niedrigenergie-Strahlanlage des FAIR Projekts.
(Universität Mainz, Universiteit Leuven, University of Jyväskylä, Johannes Gutenberg Universität, LMU München, MPIK Heidelberg, EKU Tübingen, University of Manchester, CERN, LLNL, PNNL)

Laserspektroskopie kurzlebiger, weit vom Tal der Stabilität entfernter Isotope, ermöglicht die modellunabhängige Bestimmung von Kerneigenschaften im Grundzustand, wie etwa Ladungsradien und elektromagnetische Momente. Halokerne sind exotische Atomkerne die schwach gebundene Nukleonen (zumeist Neutronen), die sich weit vom restlichen Rumpfkern entfernen können.
Die Stuktur dieser Kerne, obwohl vor mehr als 20 Jahren entdeckt, ist bislang nicht hinreichend verstanden. Mittels Präzisionslaserspektroskopie an diesen Isotopen können Informationen über die Ladungsradien dieser Kerne gewonnen werden. Solche Experimente sind sehr anspruchsvoll, da Haloisotope sehr kurze Halbwertszeiten - meist im Millisekundenbereich - besitzen und nur in winzigen Mengen hergestellt werden können. Zwei Kollaborationen, die von der Helmholtz Nachwuchsgruppe "LaserSpHERe" an der Uni Mainz und der GSI geleitet werden, haben diese Herausforderung angenommen.

Herstellung und Manipulation von Ionenstrahlen

Laserkühlung gespeicherter Ionenstrahlen mit relativistischen Energien
(LMU München)

Laserspektroskopie hochgeladener Ionen

Laserspektroskopie an lithiumähnlichem Bismut
Für weitere Informationen, klicken Sie bitte hier

SpecTrap – Hochgeladene Ionen fast in Ruhe in einer Penningfalle
(Texas A&M, LLNL, Imperial College London, Universität Mainz, TU Darmstadt)

SpecTrap ist eine kryogene Penningfalle, die dafür ausgelegt ist, hochgeladene Ionen vom EBIS oder einer anderen externen Quelle einzufangen und zu speichern. Die kryogene Umgebung sorgt für eine effiziente Kühlung der Ionen während der Speicherung, wodurch Präzisionsexperimente mit nahezu stillstehenden Ionen möglich werden. Ihre optischen Zugriffsmöglichkeiten ermöglichen außerdem Laserkühlung, Laseranregung und optische Beobachtung, so dass es ein ideales Werkzeug für Präzisionslaserspektroskopie hochgeladener Ionen darstellt. An der GSI, wird RETrap für Experimente mit solchen Teilchen eingesetzt, die die HITRAP Anlage liefern wird.

SpecTrap

Feinstruktur in litiumähnlichen Ionen
Röntgenlaserspektroskopie

Laserspektroskopie künstlicher Elemente

SHIPTRAP
Die Aktiniden und darüber hinaus

Survey

Laserspektroskopie radioaktiver Isotope

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