Towards a new test of time dilation: Laser spectroscopy on lithium ions stored at a velocity of 33.8 % of the speed of light

The subject of the presented thesis is the accurate measurement of time dilation, aiming at a quantitative test of special relativity. By means of laser spectroscopy, the relativistic Doppler shifts of a clock transition in the metastable triplet spectrum of ^7Li^+ are simultaneously measured with and against the direction of motion of the ions. By employing saturation or optical double resonance spectroscopy, the Doppler broadening as caused by the ions' velocity distribution is eliminated. From these shifts both time dilation as well as the ion velocity can be extracted with high accuracy allowing for a test of the predictions of special relativity. A diode laser and a frequency-doubled titanium sapphire laser were set up for antiparallel and parallel excitation of the ions, respectively. To achieve a robust control of the laser frequencies required for the beam times, a redundant system of frequency standards consisting of a rubidium spectrometer, an iodine spectrometer, and a frequency comb was developed. At the experimental section of the ESR, an automated laser beam guiding system for exact control of polarisation, beam profile, and overlap with the ion beam, as well as a fluorescence detection system were built up. During the first experiments, the production, acceleration and lifetime of the metastable ions at the GSI heavy ion facility were investigated for the first time. The characterisation of the ion beam allowed for the first time to measure its velocity directly via the Doppler effect, which resulted in a new improved calibration of the electron cooler. In the following step the first sub-Doppler spectroscopy signals from an ion beam at 33.8 %c could be recorded. The unprecedented accuracy in such experiments allowed to derive a new upper bound for possible higher-order deviations from special relativity. Moreover future measurements with the experimental setup developed in this thesis have the potential to improve the sensitivity to low-order deviations by at least one order of magnitude compared to previous experiments; and will thus lead to a further contribution to the test of the standard model.

Das Thema dieser Arbeit ist die genaue Messung der Zeitdilatation mit dem Ziel eines quantitativen Tests der Speziellen Relativitätstheorie. Mithilfe von Laser-Spektroskopie erfolgt die gleichzeitige Messung der relativistischen Dopplerverschiebungen eines geeigneten Uhrenübergangs im metastabilen Spektrum des ^7Li^+-Ions exakt in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung der Ionenbewegung. Durch Anwendung von Sättigungs- oder optischer Doppelresonanzspektroskopie wird hierbei die durch die Geschwindigkeitsverteilung verursachte Dopplerverbreiterung erster Ordnung eliminiert. Hieraus lassen sich sowohl die Zeitdilatation als auch die Geschwindigkeit der Ionen mit hoher Genauigkeit bestimmen und so die Vorhersage der Speziellen Relativitätstheorie überprüfen. Zunächst wurde für die antiparallele Anregung der Ionen ein Diodenlaser und für die parallele Anregung ein frequenzverdoppelter Titan-Saphir-Laser aufgebaut. Für die robuste Frequenzkontrolle dieser Laser während der Strahlzeiten am ESR wurde ein redundantes System von Frequenzstandards bestehend aus einem Rubidium- und einem Iodspektrometer sowie einem optischen Frequenzkamm entwickelt. An der ESR Experimentiersektion erfolgte der Aufbau einer automatisierten Laserstrahlführung zur exakten Kontrolle von Strahlprofil, Polarisation und Überlapp mit dem Ionenstrahl, sowie eines Detektorsystems für den Fluoreszenznachweis. In den ersten Experimenten wurden zunächst die Produktion, Beschleunigung und Lebensdauer der metastabilen Ionen am GSI Beschleunigersystem und im ESR erstmals vermessen. Bei der Charakterisierung des Strahls wurde erstmalig dessen Geschwindigkeit im ESR über den Dopplereffekt direkt bestimmt was zu einer exakten Überprüfung der Kalibrierung des Elektronenkühlers führte. Anschließend konnten mit der Doppelresonanzspektroskopie Signale bei einer Teilchengeschwindigkeit von 33,8 %c aufgenommen werden. Die bei derartigen Experimenten bisher unerreichte Auflösung erlaubt die Bestimmung einer neuen Obergrenze für hypothetische Abweichungen höherer Ordnung von der Speziellen Relativitätstheorie. Damit sind die Voraussetzungen geschaffen, um in weiteren Experimenten die bisherigen Grenzen in niedrigster Ordnung ebenfalls um mindestens eine Größenordnung zu verbessern und damit einen weiteren Beitrag zum Test des Standardmodells zu liefern.