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Laserspectroscopic determination of the nuclear charge radius of ¹³C

Müller, Patrick Matthias (2024)
Laserspectroscopic determination of the nuclear charge radius of ¹³C.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026746
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Light nuclei, that consist of only a few nucleons, are exciting testing grounds for our understanding of fundamental interactions. Bound by the residual strong interaction acting between the quarks inside the protons and neutrons, these nuclei form interesting structures such as condensed α clusters or halo nuclei that are challenging to describe by nuclear theory. Over the last decades, ab initio nuclear structure calculations, that are rooted in quantum chromodynamics, were improved significantly. Providing precise benchmark values for these theories is essential to improve the precision of predictions on how nuclear matter emerges. The isotopes of the light element carbon (C) are highly interesting cases to study as they exhibit pronounced α clustering and are important contributors to the nucleosynthesis process in stars. Additionally, C is at the limit of what is computationally possible using higher-order nuclear structure calculations, and due to its unfavorable spectral properties, no experimental high-precision spectroscopy data is available so far. In this work, the differential nuclear charge radius of ¹²⸴¹³C is determined purely from results of ab initio nonrelativistic quantum electrodynamics atomic structure calculations and highprecision collinear laser spectroscopy measurements carried out at the Collinear Apparatus for Laser Spectroscopy and Applied Science (COALA), located at the Institute for Nuclear Physics at the Technical University Darmstadt. For this, first high-accuracy measurements of the 1s2s ³S₁ → 1s2p ³P₀,₁,₂ transitions in He-like ¹³C⁴⁺ were carried out and combined with measurements in ¹²C⁴⁺ from preceding work. The C⁴⁺ isotopes in the metastable ³S₁ state are produced in an electron beam ion source and are accessible with lasers operated at a wavelength of 227.6 nm. The fluorescence detection region (FDR) of COALA at these deep-UV wavelengths was improved with a new lens-based FDR designed and built within this work. The new segment provides an improved signal-to-noise ratio compared to the previous mirror-based design. This considerably facilitated spectroscopy of the weakest transitions in ¹³C⁴⁺, which split into hyperfine structure (HFS). The effect of hyperfine-induced mixing on the transition frequencies is investigated and benchmark values for atomic structure calculations are provided. The new model independent δ⟨r²⟩¹²⸴¹³ = −0.1245(66) fm² is compared to results from elastic electron scattering, muonic atom spectroscopy and ab initio nuclear structure calculations. In combination with the existing experimental results for ¹²C, the absolute nuclear charge radius of ¹³C is determined. An elaborate analysis of the fluorescence spectra and potential systematic uncertainties is presented that is enabled by the new Python package qspec, developed within this work for simulations and data analysis surrounding laser spectroscopy. The package was extensively tested during beamtimes at GSI, CERN/ISOLDE and ANL where it significantly contributed to decision-making processes by enabling a detailed live data analysis and simulations. In addition to the analysis of ¹³C⁴⁺, an investigation of quantum interference effects and optical-population transfer in the HFS of ⁸⁷Sr⁺ is presented in the appendix.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2024
Autor(en): Müller, Patrick Matthias
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Laserspectroscopic determination of the nuclear charge radius of ¹³C
Sprache: Englisch
Referenten: Nörtershäuser, Prof. Dr. Wilfried ; Kröll, Prof. Dr. Thorsten
Publikationsjahr: 8 März 2024
Ort: Darmstadt
Kollation: 118, xix Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 14 Februar 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00026746
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/26746
Kurzbeschreibung (Abstract):

Light nuclei, that consist of only a few nucleons, are exciting testing grounds for our understanding of fundamental interactions. Bound by the residual strong interaction acting between the quarks inside the protons and neutrons, these nuclei form interesting structures such as condensed α clusters or halo nuclei that are challenging to describe by nuclear theory. Over the last decades, ab initio nuclear structure calculations, that are rooted in quantum chromodynamics, were improved significantly. Providing precise benchmark values for these theories is essential to improve the precision of predictions on how nuclear matter emerges. The isotopes of the light element carbon (C) are highly interesting cases to study as they exhibit pronounced α clustering and are important contributors to the nucleosynthesis process in stars. Additionally, C is at the limit of what is computationally possible using higher-order nuclear structure calculations, and due to its unfavorable spectral properties, no experimental high-precision spectroscopy data is available so far. In this work, the differential nuclear charge radius of ¹²⸴¹³C is determined purely from results of ab initio nonrelativistic quantum electrodynamics atomic structure calculations and highprecision collinear laser spectroscopy measurements carried out at the Collinear Apparatus for Laser Spectroscopy and Applied Science (COALA), located at the Institute for Nuclear Physics at the Technical University Darmstadt. For this, first high-accuracy measurements of the 1s2s ³S₁ → 1s2p ³P₀,₁,₂ transitions in He-like ¹³C⁴⁺ were carried out and combined with measurements in ¹²C⁴⁺ from preceding work. The C⁴⁺ isotopes in the metastable ³S₁ state are produced in an electron beam ion source and are accessible with lasers operated at a wavelength of 227.6 nm. The fluorescence detection region (FDR) of COALA at these deep-UV wavelengths was improved with a new lens-based FDR designed and built within this work. The new segment provides an improved signal-to-noise ratio compared to the previous mirror-based design. This considerably facilitated spectroscopy of the weakest transitions in ¹³C⁴⁺, which split into hyperfine structure (HFS). The effect of hyperfine-induced mixing on the transition frequencies is investigated and benchmark values for atomic structure calculations are provided. The new model independent δ⟨r²⟩¹²⸴¹³ = −0.1245(66) fm² is compared to results from elastic electron scattering, muonic atom spectroscopy and ab initio nuclear structure calculations. In combination with the existing experimental results for ¹²C, the absolute nuclear charge radius of ¹³C is determined. An elaborate analysis of the fluorescence spectra and potential systematic uncertainties is presented that is enabled by the new Python package qspec, developed within this work for simulations and data analysis surrounding laser spectroscopy. The package was extensively tested during beamtimes at GSI, CERN/ISOLDE and ANL where it significantly contributed to decision-making processes by enabling a detailed live data analysis and simulations. In addition to the analysis of ¹³C⁴⁺, an investigation of quantum interference effects and optical-population transfer in the HFS of ⁸⁷Sr⁺ is presented in the appendix.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

Leichte Kerne, die nur aus wenigen Nukleonen bestehen, sind ausgezeichnete Objekte, um unser Verständnis fundamentaler Wechselwirkungen zu überprüfen. Gebunden durch die verbleibende starke Wechselwirkung, die zwischen den Quarks im Inneren der Protonen und Neutronen wirkt, bilden diese Kerne interessante Strukturen wie kondensierte α-Gruppen (Cluster) oder Halo-Kerne, deren kerntheoretische Beschreibung herausfordernd ist. In den letzten Jahrzehnten wurden in der Quantenchromodynamik verwurzelte ab initio Kernstrukturberechnungen erheblich verbessert. Die Bereitstellung genauer Referenzwerte für diese Theorien ist unerlässlich, um die Präzision von Vorhersagen über die Entstehung der Kernmaterie zu verbessern. Die Isotope des leichten Elements Kohlenstoff (C) sind hochinteressant, da sie ausgeprägte α-Cluster aufweisen und ein wichtiger Bestandteil des Nukleosyntheseprozesses in Sternen sind. Darüber hinaus liegt C an der Grenze dessen, was mit Kernstrukturberechnungen höherer Ordnung berechenbar ist, und aufgrund seiner ungünstigen spektralen Eigenschaften sind bisher auch keine experimentellen hochpräzisen Spektroskopiedaten verfügbar. In dieser Arbeit wird der differentielle Kernladungsradius von ¹²⸴¹³C rein aus Ergebnissen von ab initio nichtrelativistischen quantenelektrodynamischen Atomstrukturrechnungen und hochpräzisen kollinearen Laserspektroskopie-Messungen bestimmt, die an der Kollinearen Apparatur für Laserspektroskopie und Angewandte Wissenschaft (KOALA) am Institut für Kernphysik der Technischen Universität Darmstadt durchgeführt wurden. Dazu wurden erstmals hochgenaue Messungen der 1s2s ³S₁ → 1s2p ³P₀,₁,₂ Übergänge in He-ähnlichem ¹³C⁴⁺ durchgeführt und mit Messungen in ¹²C⁴⁺ aus einer vorangegangenen Arbeit kombiniert. Die C⁴⁺-Isotope im metastabilen ³S₁-Zustand werden in einer Elektronenstrahl-Ionenquelle erzeugt und sind mit Lasern zugänglich, die bei einer Wellenlänge von 227,6 nm betrieben werden. Die Fluoreszenzdetektionsregion (FDR) von KOALA wurde mit einer neuen linsenbasierten FDR verbessert, die im Rahmen dieser Arbeit entwickelt und gebaut wurde. Das neue Segment bietet ein verbessertes Signal-zu-Rausch-Verhältnis im Vergleich zu dem früheren spiegelbasierten Design. Dies erleichterte die Spektroskopie der schwächsten Übergänge in ¹³C⁴⁺, die sich durch die Hyperfeinstruktur aufspalten, erheblich. Die Auswirkung der hyperfein-induzierten Mischung auf die Übergangsfrequenzen wird untersucht und es werden Referenzwerte für Atomstrukturberechnungen angegeben. Der neue modellunabhängige δ⟨r²⟩¹²⸴¹³ = −0,1245(66) fm² wird mit Ergebnissen aus elastischer Elektronenstreuung, Spektroskopie myonischer Atome und ab initio Kernstrukturrechnungen verglichen. In Kombination mit den vorhandenen experimentellen Ergebnissen für ¹²C wird der absolute Kernladungsradius von ¹³C bestimmt. Die ausführliche Analyse der Fluoreszenzspektren und möglicher systematischer Unsicherheiten wurde durch das neue Python-Paket qspec ermöglicht, das im Rahmen dieser Arbeit für Simulationen und Datenanalyse rund um die Laserspektroskopie entwickelt wurde. Das Paket wurde ausgiebig während mehrerer Strahlzeiten an GSI, CERN/ISOLDE und ANL getestet, wo es durch eine detaillierte Live-Datenanalyse und Simulationen wesentlich zu Entscheidungsprozessen beitrug. Neben der Analyse von ¹³C⁴⁺ wird als Ergänzung noch eine Untersuchung von Quanteninterferenzeffekten und optischem Populationstransfer in der Hyperfeinstruktur von ⁸⁷Sr⁺ im Anhang dieser Arbeit vorgestellt.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-267460
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 05 Fachbereich Physik
05 Fachbereich Physik > Institut für Kernphysik
TU-Projekte: DFG|SFB1245|A01 Nörtershäuser
Hinterlegungsdatum: 08 Mär 2024 12:41
Letzte Änderung: 12 Mär 2024 07:44
PPN:
Referenten: Nörtershäuser, Prof. Dr. Wilfried ; Kröll, Prof. Dr. Thorsten
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 14 Februar 2024
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