Laser Spectroscopy of Exotic Systems

Welchen Radius hat ein Proton? Sind die magischen Zahlen universell oder gelten sie nur nahe an der Stabilität? Funktioniert die Quantenelektrodynamik (QED) auch noch in extrem starken elektromagnetischen Feldern? Welche Eigenschaften hat Antiwasserstoff? Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie im Universum? Dies sind einige der hochaktuellen Fragen, auf die auch laserspektroskopische Experimente Antworten suchen. Bei der Suche nach „Physik jenseits des Standardmodells (SM)“ setzt man dabei auf hohe Präzision statt auf immer höhere Energien. Wie Forensiker am Tatort nach Spuren des Verbrechens, fahndet die Laserspektroskopie durch immer genauere Messungen nach winzigen Hinweisen auf das Vorhandensein neuer Teilchen oder Kräfte, die im SM nicht existieren. Darüber hinaus ist sie zur Bestimmung von Größe und Form kurzlebiger Atomkerne und als Werkzeug zur Präparation von Atomen und Ionen bei vielen Experimenten nicht mehr wegzudenken. Wenn Sie mehr über das Wie und Warum wissen wollen, sind Sie in dieser Vorlesung genau richtig. Neben den laserspektroskopischen Methoden die dabei zum Einsatz kommen, lernen Sie auch die Techniken zur Erzeugung und Präparation des oft „exotischen“ Untersuchungsgegenstandes kennen. Als exotisch bezeichnen wir dabei einerseits Systeme mit kurzlebigen Komponenten, beispielsweise Myonen, Pionen oder radioaktive Kerne und andererseits stabile Systeme, die aber unter gewöhnlichen Bedingungen nicht existieren, beispielsweise Antiwasserstoff oder hochgeladene Ionen wie Bi82+. In vielen Fällen ist es notwendig diese Systeme nach Ihrer Erzeugung zu speichern, um ausreichend Zeit für ihre Untersuchung zu haben – Speicher- und Kühlmethoden sind daher ebenfalls ein wichtiges Thema der Vorlesung. Vorlesungssprache ist englisch. Content: 1 Laser Spectroscopy of Hydrogenlike Systems 1.1 Introduction 1.2 Laser Spectroscopy of Hydrogen: Proton Radius and Rydberg Constant 1.3 Laser Spectroscopy of Muonic Hydrogen 1.4 Laser Spectroscopy of Positronium 1.5 Laser Spectroscopy of Muonium 1.6 Laser Spectroscopy of Antihydrogen and the CPT Theorem 1.7 Antiprotonic Helium and the electron mass 2 Laser Spectroscopy of Highly Charged Ions (HCI) 2.1 Motivation . 2.2 Some Aspects of HCI-Physics 2.3 Electron Impact Ionization and Charge Exchange 2.4 Transition Wavelength and Photon Energies 2.5 Highly Charged Ions at Storage Rings 2.6 Electron Beam Ion Traps (EBIT) 2.7 Laser Spectroscopy in a Penning Trap 2.8 Laser Spectroscopy of HCI in an RF Paul trap 3 Laser Spectroscopy of Short-Lived Isotopes 3.1 Introduction 3.2 Production of Short-Lived isotopes 3.3 Nuclear Signatures in the Optical Spectrum 3.4 Resonance Ionization Spectroscopy (RIS) 3.5 Collinear Laser Spectroscopy (CLS) 3.6 Atom Trap Laser Spectroscopy on Helium Isotopes 4 Tests of Fundamental Symmetries 4.1 Atomic Parity Violation 4.2 Searches for a permanent eletric dipole moment 4.3 Test of time dilation in Special Relativity