Precision spectroscopy of the 2S-nP transitions in atomic hydrogen

Maisenbacher, Lothar (2021): Precision spectroscopy of the 2S-nP transitions in atomic hydrogen. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Präzisionsspektroskopie an atomarem Wasserstoff ist eine wichtige Methode die Quantenelektrodynamik (QED) gebundener Systeme, einer der Bausteine des Standardmodells, zu testen. Im einfachsten Fall besteht ein solcher Test aus dem Vergleich einer gemessenen Übergangsfrequenz mit der Vorhersage der QED, welche für das Wasserstoffatom mit sehr hoher Präzision berechnet werden kann. Diese Berechnungen benötigen allerdings bestimmte physikalische Konstanten als Eingangsparameter, unter anderem die Rydberg-Konstante sowie den Protonenladungsradius, welche gegenwärtig beide zu einem großen Teil selbst durch Wasserstoffspektroskopie bestimmt werden. Für einen Test der QED ist es deshalb notwendig, die Übergangsfrequenzen von mindestens drei verschiedenen Übergängen zu bestimmen. Gleichermaßen ist ein Vergleich der aus Messungen verschiedener Übergänge bestimmten Werte für die Rydberg-Konstante und den Protonenladungsradius ein Test der QED. Hierzu wurde in dieser Arbeit Laserspektroskopie der optischen 2S-nP-Übergänge durchgeführt. Da es sich bei diesen Übergängen um Ein-Photonen-Übergänge handelt, sind sie von einem anderen Satz an systematischen Effekten betroffen als Zwei-Photonen-Übergänge, auf denen die meisten anderen spektroskopischen Messungen an Wasserstoff basieren. Um zu einem Test der QED beitragen zu können, muss ihre Übergangsfrequenz mit einer relativen Unsicherheit in der Größenordnung von eins zu 10^12 bestimmt werden, in absoluten Einheiten etwa auf 1 kHz. Dies ist etwa 10000 Mal kleiner als die relativ große natürliche Linienbreite der 2S-nP-Übergänge, weshalb für eine erfolgreiche Messung sowohl ein sehr großes Signal-zu-Rausch-Verhältnis als auch ein detailliertes theoretisches Verständnis der Linienform der beobachteten Resonanz notwendig ist. Die 2S-nP-Übergänge wurden an einem kryogenen Strahl aus Wasserstoffatomen, die optisch in den metastabilen 2S-Zustand angeregt wurden, untersucht. Der Atomstrahl wurde rechtwinklig mit zwei gegenläufigen Spektroskopie-Laserstrahlen gekreuzt, die die Atome weiter in den nP-Zustand anregten. Die Fluoreszenz des anschließenden, raschen spontanen Zerfalls diente als Messsignal. Die Anregung mit zwei gegenläufigen Strahlen führt zu zwei Dopplerverschiebungen der gleichen Größe, aber mit umgekehrten Vorzeichen, die sich damit aufheben. Eine nach der Geschwindigkeit der Atome aufgelöste Detektion erlaubte die Bestimmung eventuell verbliebener Dopplerverschiebungen, die im Rahmen der Messunsicherheit jedoch für beide unten vorgestellten Messungen ausgeschlossen werden konnten. In einem ersten Experiment wurde der 2S-4P-Übergang untersucht. Quanteninterferenz zwischen benachbarten atomaren Resonanzen führte zu subtilen Verformungen der Linienform, die sich aufgrund der sehr hohen Auflösung bezogen auf die Linienbreite als signifikant herausstellten. Die durch diese Verformungen verursachten Linienverschiebungen konnten direkt beobachtet und mit einem auf Störungstheorie basierenden Linienformmodell entfernt werden. Somit konnte die Übergangsfrequenz mit einer relativen Messungenauigkeit von 4 zu 10^12 bestimmt werden. In Kombination mit der sehr präzise gemessenen 1S-2S-Übergangsfrequenz erlaubte dies die zu dem Zeitpunkt präziseste Bestimmung der Rydberg-Konstante und des Protonenladungsradius mittels Spektroskopie an atomarem Wasserstoff. Darüber hinaus wurde eine gute Übereinstimmung mit dem durch Spektroskopie an myonischem Wasserstoff bestimmten, sehr viel präziseren Wert für den Protonenladungsradius festgestellt, welcher signifikant von den vorherigen Daten aus (elektronischem) Wasserstoff abweicht und damit zu Zweifeln an der Gültigkeit der QED geführt hatte. Der myonische Wert für den Protonenladungsradius wurde seitdem von weiteren Experimenten bestätigt. Die 2S-4P-Messung wird im Anhang dieser Arbeit behandelt. Trotz des hohen Signal-zu-Rausch-Verhältnisses war die Genauigkeit der 2S-4P-Messung durch die Zählrate des Messsignals limitiert. Um die Präzision weiter zu erhöhen, war ein Übergang mit kleinerer Linienbreite und ein verbessertes experimentelles Signal notwendig. Deshalb wurde mit der Untersuchung des 2S-6P-Übergangs, welcher eine dreimal kleinere natürliche Linienbreite bietet, begonnen. Der Atomstrahlapparat wurde modifiziert, wodurch eine entsprechende Reduktion der experimentell beobachteten Linienbreite und ein fast eine Größenordnung höherer Fluss an langsamen Atomen im Atomstrahl erreicht werden konnte. Zusammen mit einer Neukonstruktion des Detektors führte dies im Vergleich zur 2S-4P-Messung zu einem bis zu 16-fach höherem Signal und machte damit den Weg zu höherer Präzision frei. Um diese Präzision zu ermöglichen, war darüber hinaus eine Weiterentwicklung der Dopplerverschiebungsunterdrückung notwendig. Dazu wurde ein Faserkollimator entwickelt, der eine exzellente Strahlqualität der Spektroskopie-Laserstrahlen bei der neuen Übergangswellenlänge von 410 nm bietet. Dies ermöglichte eine Messung der 2S-6P-Übergangsfrequenz mit einer statistischen Unsicherheit von 430 Hz, fünfmal niedriger als für die 2S-4P-Messung. Dies entspricht einer Unterdrückung der Dopplerverschiebung um sechs Größenordnungen. Bei dieser Präzision wird die Lichtkraftverschiebung durch die Beugung der Atome am optischen Gitter, welches durch die gegenläufigen Laserstrahlen erzeugt wird, signifikant. Diese Lichtkraftverschiebung wurde zum ersten Mal für die 2S-nP-Übergänge beobachtet und konnte durch ein hierfür entwickeltes Modell gut beschrieben werden. Die Größe aller anderen systematischen Effekte, mit Ausnahme der sehr genau bekannten Rückstoßverschiebung, wird mit jeweils kleiner als 500 Hz abgeschätzt. Die blinde Datenanalyse ist zum Zeitpunkt des Verfassens dieser Arbeit noch im Gange, weshalb noch keine Übergangsfrequenzen angegeben werden können. Die vorläufige Analyse lässt jedoch eine fünffache Verbesserung der Bestimmung der Rydberg-Konstante und des Protonenladungsradius im Vergleich zur 2S-4P-Messung und eine zweifache Verbesserung im Vergleich zur momentan präzisesten Bestimmung an atomarem Wasserstoff erwarten. Damit liegt die Unsicherheit auf den bestimmten Wert des Protonenladungsradius innerhalb eines Faktors fünf der Unsicherheit des myonischen Wertes. Die 2S-6P-Messung ist zentraler Gegenstand dieser Arbeit.

Abstract

Precision spectroscopy of atomic hydrogen is an important way to test bound-state quantum electrodynamics (QED), one of the building blocks of the Standard Model. In its simplest form, such a test consists of the comparison of a measured transition frequency with its QED prediction, which can be calculated with very high precision for the hydrogen atom. However, these calculations require some input in the form of physical constants, such as the Rydberg constant and the proton charge radius, both of which are currently determined to a large degree by hydrogen spectroscopy itself. Therefore, the frequency of at least three different transitions needs to be measured in order to test QED. Equivalently, a comparison of the values of the Rydberg constant and the proton charge radius determined from measurements of different transitions constitutes a test of QED. To this end, laser spectroscopy of optical 2S-nP transitions has been performed in this work. As these transitions are one-photon transitions, they are affected by a different set of systematic effects than the two-photon transitions on which most other spectroscopic measurements of hydrogen are based. In order to contribute to the test of QED, their transition frequencies must be determined with a relative uncertainty on the order of one part in 10^12, corresponding to approximately 1 kHz in absolute terms. This is in turn approximately a factor of 10000 smaller than the relatively broad natural linewidth of the 2S-nP transitions, and a successful measurement requires both a very large experimental signal-to-noise ratio and a detailed theoretical understanding of the line shape of the observed resonance. The 2S-nP transitions were probed on a cryogenic beam of hydrogen atoms, which were optically excited to the metastable 2S level. The atomic beam was crossed at right angles with counter-propagating spectroscopy laser beams, which further excited the atoms to the nP level. The fluorescence from the subsequent rapid spontaneous decay served as experimental signal. The excitation with two counter-propagating beams lead to two Doppler shifts of equal magnitude, but opposite sign, which thus canceled each other out. A velocity-resolved detection was used to determine any residual Doppler shifts, which could be excluded within the measurement uncertainty for both of the measurements discussed below. In a first experiment, the 2S-4P transition was probed. Quantum interference of neighboring atomic resonances produced subtle distortions of the line shape, which were found to be significant because of the very large resolution relative to the linewidth. The line shifts caused by the distortions were directly observed and could be removed by use of a line shape model based on perturbative calculations. With this, the transition frequency was determined with a relative uncertainty of 4 parts in 10^12. In combination with the very precisely measured 1S-2S transition frequency, this allowed the, at the time, most precise determination of the Rydberg constant and the proton charge radius from atomic hydrogen. Moreover, good agreement was found with the much more precise value of the proton charge radius extracted from spectroscopy of muonic hydrogen, which had been in significant disagreement with previous data from (electronic) hydrogen, causing concern about the validity of QED. This result has since been confirmed by other experiments. The 2S-4P measurement is treated in the appendix of this thesis. The 2S-4P measurement, despite its large signal-to-noise ratio, was limited by counting statistics. To improve precision, a transition with a narrower linewidth and an improved experimental signal was necessary. Hence, the study of the 2S-6P transition, which offers a three times smaller natural linewidth, was begun. The atomic beam apparatus was upgraded, resulting in a corresponding decrease of the experimentally observed linewidth, and a close to an order of magnitude larger flux of atoms in the low-velocity tail of the atomic beam. Together with a detector redesign, this led to an up to 16 times larger signal than for the 2S-4P measurement, opening the path to increased precision. The Doppler-shift suppression was also rebuilt to support such precision, including a fiber collimator developed for this purpose, which provides high-quality spectroscopy beams at the new transition wavelength of 410 nm. This enabled a measurement of the 2S-6P transition frequency with a statistical uncertainty of 430 Hz, five times lower than for the 2S-4P measurement and corresponding to a suppression of the Doppler shift by six orders of magnitude. At this level of precision, the light force shift from the diffraction of atoms at the light grating formed by the counter-propagating spectroscopy beams becomes significant. This light force shift was directly observed for the first time for the 2S-nP transitions and found to be well-described by a model derived for this purpose. The size of all other systematic effects, except the very precisely known recoil shift, is estimated to be below 500 Hz each. The blind data analysis is ongoing at the time of writing and thus no transition frequencies can yet be given. However, a preliminary analysis suggests a five-fold improvement in the determination of the Rydberg constant and the proton charge radius as compared to the 2S-4P measurement, and a two-fold improvement over the currently most precise determination from atomic hydrogen. This places the uncertainty of the determined value of the proton charge radius within a factor of five of that of the muonic value. The 2S-6P measurement is treated in the main text of this thesis.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: precision measurement, laser spectroscopy, hydrogen spectroscopy, 2S-nP transitions, 2S-4P transition, 2S-6P transition, 1S-2S transition, quantum electrodynamics, QED, physical constants, fundamental constants, Rydberg constant, proton charge radius, proton radius, proton radius puzzle, proton size puzzle, search for new physics
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 27. Januar 2021
• 1. Bericht­erstatter:in: Hänsch, Theodor W.