Spectroscopy of the fundamental few-lepton systems Ps and Ps-
Final Report Abstract
Das Fördervorhaben widmete sich in 2 sukzessiven Teilprojekten der Untersuchung des fundamentalsten 3-Körpersystems, dem aus 3 punktförmigen Leptonen bestehenden negativen Ions des Positroniums Ps- (e+e-e-), das ein einzigartiges Labor zur Untersuchung von 3-Körperkräften der QED darstellt. Das Vorhaben profitiert dabei vor allem auf der in Garching an der Neutronenquelle FRM2 vorhandenen weltweit intensivsten Quelle moderierter Positronen NEPOMUC. In der ersten Hälfte des Vorhabens wurde ausgehend von einer Vorgänger-Apparatur, die seitens der Kollaborationspartner des MPI Heidelberg in das Vorhaben eingebracht wurde, eine weitgehende Überarbeitung und Neukonzeption zentraler Komponenten des Aufbaus realisiert, mit dem schliesslich die genaueste Bestimmung der Zerfallskonstanten des Ps- erzielt werden konnte. Durch Massnahmen, mit denen zuvor erkannte systematische Fehler eines Vorgängerexperimentes eliminiert werden konnten, gelang eine um einen Faktor 3 verbesserte Bestimmung der Zerfallskonstanten, mit der nun erstmals ein aussagefähiger Test theoretischer Vorhersagen ermöglicht wird. Der zweite Teil des Vorhabens widmete sich der experimentellen Realisierung der Photo-Ionisation des Ps-, zu der es zwar zahlreiche theoretische Berechnungen, aber keine experimentellen Untersuchungen gab. Hier stellte sich der mit dem Vorhaben betraute Doktorand, Herr Stefan Gärtner, der Aufgabe, eines der beiden Elektronen des Ps- durch quantitativ kontrollierte Wechselwirkung mit einem Laserstrahl geeigneter Energie oberhalb der Bindungsenergie des Ps- (nicht-resonant) ins Kontinuum zu ionisieren und den dabei auftretenden Wirkungsquerschnitt zu bestimmen. Hierfür wurde ein komplett neuer und in vielen Komponenten auch neuartiger Versuchsaufbau entwickelt und aufgebaut. Für die Optimierung des zur Photoionisation des Ps- notwendigen Überlapps der in einer nur 5 nm dünnen diamantartigen Kohlenstoff-Folie produzierten Ps- wurde die Idee eines „Lichtvorhangs“ realisiert. Dafür wird der zur Ionisation eingesetzte Nd:YAG-Laser unter schräg in 2 planparallele Spiegel eingekoppelt und erfährt dort mehrfache Reflexionen entlang der Fläche der Spiegel, bevor er schliesslich in einem Beamdump gestoppt wird. Allerdings muss dies quantitativ kontrollierbar erfolgen, da zur Bestimmung des Ionisationsquerschnitts die Photonendichte im Lichtvorhang, präziser in dessen Überlappbereich mit dem Ps- Strahl bekannt sein muss. Dazu wurde ein Simulationsprogramm auf der Basis eines Intensitätsmodells des Laserfeldes entwickelt und in Labormessungen verifiziert, mit dem schliesslich die geometrischen und optischen Bedingungen des Lichtvorhangs optimiert werden konnten. Auf der Basis dieser Erkenntnisse wurde alsdann eine aufwendige Vakuumkammer konzipiert und aufgebaut, die den Transport der eintreffenden Positronen aus dem Strahltransportsystem der NEPOMUC-Positronenquelle zur Produktionseinheit der Ps- Ionen, deren nachfolgende Feld-Führung in den beschriebenen Lichtvorhang ebenso wie den zuletzt erforderlichen Transport des in der Ionisation entstehenden Positroniums auf eine Stopperfolie zur dortigen Annihilation mit nachfolgender Messung der beiden entstehenden diametralen 511 keV Photonen ermöglicht. Hier wurde insbesondere Wert auf eine ionenoptische Optimierung der Transporteffizienz zunächst der Positronen und anschliessend des Ps- durch entsprechende Auslegung elektrostatischer Linsensysteme gelegt. Zusätzlich wurden Vorkehrungen zur Diagnostik der Einkopplung des Laserstrahls, der Photonendichte des Lichtvorhangs, der Position des eintreffenden Positronenstrahls sowie der Erzeugung des Ps- an einem DLC-Folienaufbau vorgesehen. Diese komplexe Apparatur wurde aufgebaut und in ihren Einzelkomponenten im Labor getestet, konnte allerdings noch nicht am Positronenstrahl der NEPOMUC-Quelle zum Einsatz kommen. Das Bestreben geht dahin, ggfs. externe Kollaborationspartner zu finden, die ein Interesse an einer Wiederaufnahme des Vorhaben haben.
Publications
- Precision measurement of the decay rate of the negative positronium ion Ps-, Phys. Rev. A 84 (2011) 062508
H. Ceeh, C. Hugenschmidt, K. Schreckenbach, S. Gärtner, P.G. Thirolf, D. Schwalm
- Status report on the setup for the decay rate measurement of the negative positronium ion, Journal of Physics: Conf. Ser. 262 (2011) 012011
H. Ceeh, S. Gärtner, C. Hugenschmidt, K. Schreckenbach, D. Schwalm, P. Thirolf
