Precision spectroscopy of the 2S-6P transition in atomic deuterium

Wirthl, Vitaly (2023): Precision spectroscopy of the 2S-6P transition in atomic deuterium. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Die Quantenelektrodynamik (QED) bildet die Grundlage aller anderen Quantenfeldtheorien, auf denen das Standardmodell der Teilchenphysik aufgebaut ist. Derzeit ist klar, dass unser fundamentales Naturverständnis unvollständig ist, sodass erwartet wird, dass das Standardmodell um neue Teilchen oder Wechselwirkungen verändert oder erweitert werden muss. Eine Möglichkeit, diese Grenzen der Grundlagenphysik zu erforschen, ist die Durchführung von Präzisionsmessungen. Diese Arbeit untersucht die Präzisionslaserspektroskopie von Deuterium, wo die Übergangsenergien zwischen verschiedenen Energiezuständen des an den Kern gebundenen Elektrons mit Techniken wie ultrastabilen Lasern und dem Frequenzkamm genau gemessen werden können. Aufgrund der Einfachheit der wasserstoffähnlichen Atome können ihre Energieniveaus anhand der QED-Theorie für gebundene Zustände genau berechnet werden, und mit dem Experiment mit der relativen Genauigkeit in der Größenordnung von $10^{-12}$ verglichen werden. Ein solcher Vergleich zwischen Theorie und Experiment ist mit der Bestimmung von Naturkonstanten verbunden, die als Parameter in die Theorie eingehen. Erst wenn mehr unabhängige Messungen als Parameter vorliegen, kann die Theorie überprüft werden. Der Vergleich zwischen Theorie und Laser-Spektroskopie im Deuterium betrifft die Ryd-berg-Konstante $R_\infty$ und den Deuteronen-Ladungsradius $r_d$. Dies erfordert mindestens zwei Messungen der verschiedenen Übergangsfrequenzen, um diese Konstanten zu bestimmen, und mehr Messungen, um die Theorie zu testen. Im Gegensatz zum Wasserstoff gibt es bei Deuterium nur wenige ausreichend genaue Messungen der Übergänge. In dieser Arbeit wird die erste Untersuchung des 2S-6P-Übergangs in Deuterium vorgestellt, die mit der bestehenden Frequenzmessung des 1S-2S-Übergangs kombiniert werden kann, um $R_\infty$ und $r_d$ zu erhalten. Zusammen mit der Messung des 2S-2P-Übergangs von myonischem Deuterium stellt diese Bestimmung einen Theorietest dar. Ein solcher Vergleich ist wichtig, um die anhaltende Diskrepanz zwischen dem Ergebnis aus myonischem Deuterium und dem Durchschnitt früherer Daten aus elektronischem Deuterium, sowie die Spannungen zwischen den jüngsten Ergebnissen aus der Wasserstoffspektroskopie, zu beleuchten. Im Gegensatz zu Wasserstoff wird die Präzisionsspektroskopie des 2S-6P-Übergangs in Deuterium durch die gleichzeitige Anregung unaufgelöster Hyperfeinstruktur-Komponenten erschwert, was zur unaufgelösten Quanteninterferenz führen kann. Diese Arbeit untersucht die möglichen systematischen Effekte, die mit dieser Komplikation verbunden sind. Zusammen mit analytischen störungstheoretischen Modellen werden Supercomputersimulationen durchgeführt, um diese Effekte zu analysieren. Es wird gezeigt, dass die Quanteninterferenz für alle 2S-$n$P-Übergänge in Deuterium stark unterdrückt wird, wodurch Präzisionsmessungen dieser Übergänge möglich werden. Darüber hinaus wird ein weiterer Effekt in Deuterium im Vergleich zu Wasserstoff untersucht, der sich aus der Lichtkraft ergibt, die auf die Atome in der stehenden Welle des Spektroskopielichts wirkt. Trotz zusätzlicher Zustandsvielfalt durch die gleichzeitige Anregung unaufgelöster Hyperfeinkomponenten wird gezeigt, dass diese sogenannte ``Lichtkraftverschiebung'' mit dem gut verstandenen Effekt im Wasserstoff vergleichbar ist. Die größte Herausforderung bei der Messung des 2S-6P-Ein-Photonen-Übergangs in Deuterium ist die Doppler-Verschiebung erster Ordnung. Ein großer Teil dieser Arbeit befasst sich daher mit dem verbesserten aktiven faserbasierten Retroreflektor (AFR), der eine Technik zur Unterdrückung dieser Verschiebung darstellt. Der zentrale Teil des AFR ist der Faserkollimator, der für die Erzeugung hochwertiger gegenläufiger Laserstrahlen erforderlich ist. Die Entwicklung und Charakterisierung eines solchen Kollimators für die nahe ultraviolette Wellenlänge des 2S-6P-Übergangs ist eine der wichtigsten Errungenschaften des verbesserten AFR. Die Ergebnisse dieser Arbeit können für andere Anwendungen von Interesse sein, bei denen eine hohe Strahlqualität oder wellenfront-zurückverfolgende Strahlen wichtig sind. Darüber hinaus werden die Einschränkungen der AFR untersucht, die sich aus polarisationserhaltenden Singlemode-Fasern ergeben. Neben anderen Verbesserungen wurde eine Polarisationsüberwachung der Spektroskopielaserstrahlen implementiert. Es werden verschiedene Charakterisierungsmessungen vorgestellt, um die Leistungsfähigkeit des verbesserten AFR zu demonstrieren. Schließlich wird in dieser Arbeit eine vorläufige Messung des 2S-6P-Übergangs in Deuterium vorgestellt. Für diese Messung wurde ein neuer Kryostat in die Apparatur eingebaut, der die Stabilität des Spektroskopiesignals durch reduzierte Temperaturschwankungen verbessert. Die Erzeugung des kryogenen Deuterium-Atomstrahls wurde in Abhängigkeit von der Düsentemperatur analysiert, was eine wichtige Studie für künftige Spektroskopiemessungen darstellt. Darüber hinaus wurden für die Präzisionsmessung verschiedene systematische Effekte untersucht, darunter die Fehlausrichtung des Atomstrahls und die elektrischen Streufelder. Es wird gezeigt, dass eine Präzisionsmessung des 2S-6P-Übergangs in Deuterium mit einer ähnlichen Unsicherheit wie in Wasserstoff machbar ist. Nach der vorläufigen Unsicherheitsabschätzung kann die 2S$_{1/2}$-6P$_{1/2}$-Übergangsfrequenz in Deuterium auf $\SI{1.7}{kHz}$ bestimmt werden, was einer relativen Genauigkeit von $2.3 \times 10^{-12}$ entspricht. Zusammen mit der 1S-2S-Messung kann dieses Ergebnis bereits die genauesten Bestimmungen des Deuteronenradius und der Rydberg-Konstante aus dem elektronischen Deuterium ermöglichen, sodass die Unsicherheiten für die Rydberg-Konstante und den Deuteronenradius $\delta R_\infty \simeq 5\times 10^{-5}\,\text{m}^{-1}$ bzw.~$\delta r_d \simeq \SI{0.002}{fm}$ betragen. Dieses Ergebnis bildet die Grundlage für eine zukünftige Präzisionsmessung, bei der die 2S-6P-Übergangsfrequenz mit ähnlicher Genauigkeit wie bei Wasserstoff bestimmt werden soll, was $\delta R_\infty \simeq 2\times 10^{-5}\,\text{m}^{-1}$ und $\delta r_d \simeq \SI{0.0007}{fm}$ entsprechen würde. Der Vergleich mit dem Ergebnis von myonischem Deuterium würde es dann erlauben, die QED-Theorie für gebundene Zustände auf dem Niveau von $9 \times 10^{-13}$ zu testen.

Abstract

Quantum electrodynamics (QED) forms the basis for all other quantum field theories, upon which the Standard Model of particle physics is constructed. Currently, it is clear that our fundamental understanding of nature is incomplete, such that the Standard Model is expected to be modified or extended by new particles or interactions. One way to explore these frontiers of fundamental physics is to perform precision measurements. This thesis studies the precision laser spectroscopy of deuterium, where the transition energies between different energy states of the electron bound to the nucleus can be accurately measured with techniques such as ultra-stable lasers and the frequency comb. Due to the simplicity of hydrogen-like atoms, their energy levels can be precisely calculated from bound-state QED and confronted with the experiment with the relative accuracy on the order of $10^{-12}$. Such a comparison between theory and experiment is linked to the determination of fundamental constants, which enter the theory as parameters. Only if more indepedendent measurements are available than there are parameters, the theory can be tested. The comparison between theory and laser spectroscopy in deuterium concerns the Rydberg constant $R_\infty$ and the deuteron charge radius $r_d$. This requires at least two different transition frequency measurements to determine those constants, and more measurements to test the theory. Contrary to hydrogen, only few accurate enough transition frequency measurements are available in deuterium. This thesis presents the first study of the 2S-6P transition in deuterium, which can be combined with the existing 1S-2S transition frequency measurement to obtain $R_\infty$ and $r_d$. Together with the 2S-2P transition measurement from muonic deuterium, this determination provides a theory test. Such a comparison is important to shine light on the persisting discrepancy between the result from muonic deuterium and the average of previous data from electronic deuterium, as well as tensions between the recent results from hydrogen spectroscopy. In contrast to hydrogen, precision spectroscopy of the 2S-6P transition in deuterium is complicated by the simultaneous excitation of unresolved hyperfine components, possibly leading to unresolved quantum interference. This thesis studies the possible systematic effects associated with this complication. Along with analytical perturbative models, supercomputer simulations are performed to analyze these effects. It is shown, that quantum interference is strongly suppressed for all 2S-$n$P transitions in deuterium, making precision measurements of these transitions possible. Furthermore, another effect is studied in deuterium compared to hydrogen, which arises from the light force acting on the atoms in the standing wave of the spectroscopy light. Despite additional state manifolds from the simultaneous excitation of unresolved hyperfine components, it is shown that this so-called ``light force shift'' is comparable to the well understood effect in hydrogen. The main challenge of measuring the one-photon 2S-6P transition in deuterium is the first-order Doppler shift. Therefore, a large part of this thesis contributes to the improved active fiber-based retroreflector (AFR), which is a technique to suppress this shift. The central part of the AFR is the fiber collimator, which is required to produce high-quality counter-propagating laser beams. Designing and characterizing such a collimator for the near ultra-violet wavelength of the 2S-6P transition is one of the main achievements of the improved AFR. The results of this work can be of interest to other applications where a high beam quality or wavefront-retracing beams are important. Furthermore, the limitations of the AFR arising from single-mode polarization-maintaining fibers are investigated. Along with other improvements, a polarization monitor of the spectroscopy laser beams has been implemented. Various characterization measurements are presented to demonstrate the performance of the improved AFR. Finally, this thesis presents a preliminary measurement of the 2S-6P transition in deuterium. For this measurement, a new cryostat has been installed in the apparatus, which improves the stability of the spectroscopy signal due to reduced temperature fluctuations. The cryogenic deuterium atomic beam generation has been analyzed in dependence on the nozzle temperature, which is an important study for future spectroscopy measurements. Furthermore, for the precision measurement different systematic effects have been investigated, including the atomic beam misalignment and the stray electric fields. It is demonstrated that a precision measurement of the 2S-6P transition in deuterium with a similar uncertainty than in hydrogen is feasible. According to the preliminary uncertainty budget, the 2S$_{1/2}$-6P$_{1/2}$ transition frequency in deuterium can be determined to $\SI{1.7}{kHz}$, which corresponds to $2.3 \times 10^{-12}$ relative accuracy. Together with the 1S-2S measurement, already this result can enable the most accurate determinations of the deuteron radius and the Rydberg constant from the electronic deuterium with the uncertainties on the Rydberg constant and the deuteron radius of $\delta R_\infty \simeq 5\times 10^{-5}\,\text{m}^{-1}$ and $\delta r_d \simeq \SI{0.002}{fm}$, respectively. This result sets the stage for a future precision measurement, where the 2S-6P transition frequency is expected to be determined with the similar accuracy as in hydrogen, which would correspond to $\delta R_\infty \simeq 2\times 10^{-5}\,\text{m}^{-1}$ and $\delta r_d \simeq \SI{0.0007}{fm}$. The comparison to the result from muonic deuterium would then allow to test bound-state QED at the level of $9 \times 10^{-13}$.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Precision spectroscopy of deuterium, bound-state quantum electrodynamics test, fundamental constants, active fiber-based retroreflector with a polarization monitor, quantum interference of unresolved transition lines
• 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 2023
• 1. Bericht­erstatter:in: Udem, Thomas