The g-factor of the electron bound in 28 Si 13+ : the most stringent test of bound-state quantum electrodynamics

This thesis describes the ultra-precise determination of the g-factor of the electron bound to hydrogenlike 28Si13+. The experiment is based on the simultaneous determination of the cyclotron- and Larmor frequency of a single ion, which is stored in a triple Penning-trap setup. The continuous Stern-Gerlach effect is used to couple the spin of the bound electron to the motional frequencies of the ion via a magnetic bottle, which allows the non-destructive determination of the spin state. To this end, a highly sensitive, cryogenic detection system was developed, which allowed the direct, non-destructive detection of the eigenfrequencies with the required precision.rnThe development of a novel, phase sensitive detection technique finally allowed the determination of the g-factor with a relative accuracy of 40 ppt, which was previously inconceivable. The comparison of the hereby determined value with the value predicted by quantumelectrodynamics (QED) allows the verification of the validity of this fundamental theory under the extreme conditions of the strong binding potential of a highly charged ion. The exact agreement of theory and experiment is an impressive demonstration of the exactness of QED. The experimental possibilities created in this work will allow in the near future not only further tests of theory, but also the determination of the mass of the electron with a precision that exceeds the current literature value by more than an order of magnitude.

Influence of lower cutoff values for 100-g oral glucose tolerance test and glycemic profile for identification of pregnant women at excessive fetal growth risk

Objective: To evaluate data from patients with normal oral glucose tolerance test (OGTT) results and a normal or impaired glycemic profile (GP) to determine whether lower cutoff values for the OGTT and GP (alone or combined) could identify pregnant women at risk for excessive fetal growth. Methods: We classified 701 pregnant women with positive screening for gestational diabetes mellitus (GDM) into 2 categories - (1) normal 100-g OGTT and normal GP and (2) normal 100-g OGTT and impaired GP - to evaluate the influence of lower cutoff points in a 100-g OGTT and GP (alone or in combination) for identification of pregnant women at excessive fetal growth risk. The OGTT is considered impaired if 2 or more values are above the normal range, and the GP is impaired if the fasting glucose level or at least 1 postprandial glucose value is above the normal range. To establish the criteria for the OGTT (for fasting and 1, 2, and 3 hours after an oral glucose load, respectively), we considered the mean (75 mg/dL, 120 mg/dL, 113 mg/dL, and 97 mg/dL), mean plus 1 SD (85 mg/dL, 151 mg/dL, 133 mg/dL, and 118 mg/dL), and mean plus 2 SD (95 mg/dL, 182 mg/dL, 153 mg/dL, and 139 mg/dL); and for the GP, we considered the mean and mean plus 1 SD (78 mg/dL and 92 mg/dL for fasting glucose levels and 90 mg/dL and 130 mg/dL for 1- or 2-hour postprandial glucose levels, respectively). Results: Subsequently, the women were reclassified according to the new cutoff points for both tests (OGTT and GP). Consideration of values, in isolation or combination, yielded 6 new diagnostic criteria. Excessive fetal growth was the response variable for analysis of the new cutoff points. Odds ratios and their respective confidence intervals were estimated, as were the sensitivity and specificity related to diagnosis of excessive fetal growth for each criterion. The new cutoff points for the tests, when used independently rather than collectively, did not help to predict excessive fetal growth in the presence of mild hyperglycemia. Conclusion: Decreasing the cutoff point for the 100-g OGTT (for fasting and 1, 2, and 3 hours) to the mean (75 mg/dL, 120 mg/dL, 113 mg/dL, and 97 mg/dL) in association with the GP (mean or mean plus 1 SD-78 mg/dL and 92 mg/dL for the fasting state and 90 mg/dL and 130 mg/dL for 1- or 2-hour postprandial values-increased the sensitivity and specificity, and both criteria had statistically significant predictive power for detection of excessive fetal growth. © 2008 AACE.

Der g-Faktor des Protons

In dieser Arbeit wird die bisher präziseste und erste direkte Hochpräzisionsmessung des g-Faktors eines einzelnen Protons präsentiert. Die Messung beruht auf der nicht-destruktiven Bestimmung der Zyklotronfrequenz und der Larmorfrequenz eines in einer Penning-Falle gespeicherten Protons. Zur Bestimmung der Larmorfrequenz wird die Spin-Flip-Wahrscheinlichkeit als Funktion einer externen Spin-Flip-Anregung aufgenommen. Zu diesem Zweck wird der kontinuierliche Stern-Gerlach Effekt verwendet, welcher zu einer Kopplung des Spin-Moments an die axiale Bewegung des Protons führt. Ein Spin-Flip zeigt sich dabei in einem Sprung der axialen Bewegungsfrequenz. Die Schwierigkeit besteht darin, diesen Frequenzsprung auf einem Hintergrund axialer Frequenzfluktuationen zu detektieren. Um diese Herausforderung zu bewältigen, wurden neuartige Methoden und Techniken angewandt. Zum einen wurden supraleitende Nachweise mit höchster Empfindlichkeit entwickelt, welche schnelle und damit präzise Frequenzmessungen erlauben. Zum anderen wurde eine auf dem statistischen Bayes Theorem basierende Spin-Flip-Analyse-Methode angewandt. Mit diesen Verbesserungen war es möglich, einzelne Spin-Flips eines einzelnen Protons zu beobachten. Dies wiederum ermöglichte die Anwendung der sogenannten Doppelfallen-Methode, und damit die eingangs erwähnte Messung des g-Faktors mit einer Präzision von 4.3 10^-9.

Mode coupling for precise measurements of the electronic g-factor of hydrogen-like ions in Penning traps

The g-factor is a constant which connects the magnetic moment $vec{mu}$ of a charged particle, of charge q and mass m, with its angular momentum $vec{J}$. Thus, the magnetic moment can be writen $ vec{mu}_J=g_Jfrac{q}{2m}vec{J}$. The g-factor for a free particle of spin s=1/2 should take the value g=2. But due to quantum electro-dynamical effects it deviates from this value by a small amount, the so called g-factor anomaly $a_e$, which is of the order of $10^{-3}$ for the free electron. This deviation is even bigger if the electron is exposed to high electric fields. Therefore highly charged ions, where electric field strength gets values on the order of $10^{13}-10^{16}$V/cm at the position of the bound electron, are an interesting field of investigations to test QED-calculations. In previous experiments [H"aff00,Ver04] using a single hydrogen-like ion confined in a Penning trap an accuracy of few parts in $10^{-9}$ was obtained. In the present work a new method for precise measurement of magnetic the electronic g-factor of hydrogen-like ions is discussed. Due to the unavoidable magnetic field inhomogeneity in a Penning trap, a very important contribution to the systematic uncertainty in the previous measurements arose from the elevated energy of the ion required for the measurement of its motional frequencies. Then it was necessary to extrapolate the result to vanishing energies. In the new method the energy in the cyclotron degree of freedom is reduced to the minimum attainable energy. This method consist in measuring the reduced cyclotron frequency $nu_{+}$ indirectly by coupling the axial to the reduced cyclotron motion by irradiation of the radio frequency $nu_{coup}=nu_{+}-nu_{ax}+delta$ where $delta$ is, in principle, an unknown detuning that can be obtained from the knowledge of the coupling process. Then the only unknown parameter is the desired value of $nu_+$. As a test, a measurement with, for simplicity, artificially increased axial energy was performed yielding the result $g_{exp}=2.000~047~020~8(24)(44)$. This is in perfect agreement with both the theoretical result $g_{theo}=2.000~047~020~2(6)$ and the previous experimental result $g_{exp1}=2.000~047~025~4(15)(44).$ In the experimental results the second error-bar is due to the uncertainty in the accepted value for the electron's mass. Thus, with the new method a higher accuracy in the g-factor could lead by comparison to the theoretical value to an improved value of the electron's mass. [H"af00] H. H"affner et al., Phys. Rev. Lett. 85 (2000) 5308 [Ver04] J. Verd'u et al., Phys. Rev. Lett. 92 (2004) 093002-1

Development of an experiment for ultrahigh-precision g-factor

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und dem Aufbau eines Experiments zur hochpräzisen Bestimmung des g-Faktors gebundener Elektronen in hochgeladenen Ionen. Der g-Faktor eines Teilchens ist eine dimensionslose Konstante, die die Stärke der Wechselwirkung mit einem magnetischen Feld beschreibt. Im Falle eines an ein hochgeladenes Ion gebundenen Elektrons, dient es als einer der genausten Tests der Quantenelektrodynamik gebundener Zustande (BS-QED). Die Messung wird in einem dreifach Penning-Fallen System durchgeführt und basiert auf dem kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effekt. Der erste Teil dieser Arbeit gibt den aktuellen Wissensstand über magnetische Momente wieder. Der hier gewählte experimentelle Aufbau wird begründet. Anschließend werden die experimentellen Anforderungen und die verwendeten Messtechniken erläutert. Das Ladungsbrüten der Ionen - einer der wichtigsten Aufgaben dieser Arbeit - ist dargestellt. Seine Realisierung basiert auf einer Feld-Emissions-Spitzen-Anordnung, die die Messung des Wirkungsquerschnitts für Elektronenstoßionisation ermöglicht. Der letzte Teil der Arbeit widmet sich der Entwicklung und dem Aufbau des Penning-Fallen Systems, sowie der Implementierung des Nachweisprozesses. Gegenwärtig ist der Aufbau zur Erzeugung hochgeladener Ionen und der dazugehörigen Messung des g-Faktors abgeschlossen, einschließlich des Steuerprogramms für die erste Datennahme. Die Ionenerzeugung und das Ladungsbrüten werden die nächsten Schritte sein.

Ein Experiment zur Bestimmung des g-Faktors des gebundenen Elektrons in wasserstoff- und lithiumähnlichen mittelschweren Ionen

In dieser Arbeit werden der experimentelle Aufbau und erste Messungen für die Bestimmung des g-Faktors des Elektrons gebunden in wasserstoff- und lithiumähnlichen mittelschweren Ionen beschrieben. Mit dem hochpräzisenWert des g-Faktors können theoretische Berechnungen der Quantenelektrodynamik gebundener Zustände überprüft werden. Die Messungen werden in einem Dreifach-Penningfallen-System durchgeführt. Dort wurden im Rahmen dieser Arbeit auch erstmals hochgeladene Ionen bis 28Si13+ in einer hierfür entwickelten Elektronenstrahl-Ionenquelle/-falle erzeugt. Für die Bestimmung des g-Faktors werden die freie Zyklotronfrequenz und die Larmorfrequenz benötigt. Erstere wird aus den drei Eigenfrequenzen des in der Präzisionsfalle gespeicherten Ions berechnet. Um das Ion bei den Messungen nicht zu verlieren, werden die Eigenfrequenzen des Ions durch Kopplung an einen radiofrequenten Nachweisschwingkreis nicht-destruktiv nachgewiesen. Die freie Zyklotronfrequenz konnte dabei mit einer relativen Genauigkeit von wenigen 10E−9 bestimmt werden. Zur Bestimmung der Larmorfrequenz ist die genaue Kenntnis der Spinrichtung des Elektrons im Magnetfeld notwendig. Diese wird durch den kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effekt in der sogenannten Analysefalle bestimmt. Hierzu muss eine hohe Stabilität der axialen Frequenz des Ions erreicht werden. Um dies sowie die Hochpräzisionsmessungen in der Präzisionsfalle zu erreichen, wurden in dieser Arbeit beide Fallen hinsichtlich ihrer elektrischen und magnetischen Eigenschaften charakterisiert.

Präzisionsmessung des magnetischen Moments des Elektrons in wasserstoffähnlichem Kohlenstoff

In dieser Arbeit wird eine Messung des magnetischen Moments des Elektronsin wasserstoffähnlichem Kohlenstoff vorgestellt. Das Ergebnis derMessungen an einem einzelnen gespeicherten¹²C⁵⁺-Ionist: g = 2,001 041 596 4 (8)(6)(44). Der erste Fehler bezeichnet die statistischeUnsicherheit, der zweite Fehler die systematische Unsicherheit. Der letzteFehler resultiert aus der Unsicherheit des Verhältnisses der Massedes ¹²C⁵⁺-Ions und der des Elektrons. Die hohe Genauigkeitder Messung wurde durch die räumliche Trennung des Nachweises derAusrichtung des Spins und des Induzierens der spin-flips erreicht. DieMessung stellt die bisher genaueste Bestimmung eines atomaren g-Faktorsdar und bestätigt den theoretischen Wert der Göteborger Theoriegruppeauf 7*10^-9. Zusammen mit diesen Rechnungen verifiziert sie dieBound-State-QED-Korrekturen genauer als 1%. Somit ist der g-Faktor desin¹²C⁵⁺ gebunden Elektrons neben Messungen der Lambshiftin schweren hochgeladenen Ionen der genaueste Test der Bound-State-QED.
Wird auf die Richtigkeit der Berechnung des g-Faktors des gebundenenElektrons vertraut, kann folgender Wert für die atomare Masse desElektrons gewonnen werden: m_e= 0,000 548 579 912 8 (15) u.

Laserspektroskopie der 1s-Hyperfeinstrukturaufspaltung an wasserstoffähnlichem 207 Pb 81+

Die Messung der 1s Hyperfeinstruktur (HFS) wasserstoffähn-licher Ionen bei hoher Kernladung Z erlaubt den Test der QED in Gegenwart starker elektrischer und magnetischer Felder durchzuführen. Aufgrund der Z^3-Abhängigkeit der magnetischen Wechselwirkung liegt die 1s-HFS bei hohem Z im optischen Spektrum und kann mit der Laserspektroskopie untersucht werden.In der vorliegenden Arbeit wurde die Grundzustands-HFS an 207Pb81+ bestimmt. Die Experimente wurden am Speicherring ESR der Gesellschaft für Schwerionenforschung mbH am Elek-tronen-gekühlten Bleistrahl durchgeführt.Ein besonderer Schwerpunkt dieser Arbeit war die Entwick-lung neuer Experimentiertechniken, die es erlauben, lang-lebigen Strahlungsübergänge im nahen infraroten Spektral-bereich mit Hilfe der Fluoreszenz-Laserspektroskopie am Speicherring zu untersuchen. Der Ionenstrahl wurde in kollinearer Geometrie mit einem Nd:YAG-Laser angeregt und die Resonanz durch Doppler-Abstimmung gemessen. Der M1-Übergang der 1s HFS an 207Pb81+ liegt bei 1019,7(2) nm. Die QED-Korrekturen sind damit auf wenige Prozent genau bestimmt. Die theoretische Berechnung der QED-Korrekturen benutzt die gemessenen bzw. den Kernmodellen entnommenen Verteilungen der Kernladung und der Kernmagnetisierung. Die Unsicherheit der Kenntnis dieser Verteilungen spielt nur eine untergeordnete Rolle für die Fehler in der gerechneten QED-Korrektur. Allerdings existieren für das magnetische Moment von 207Pb zwei widersprüchliche Literaturwerte. Die Diskussion der Ergebnisse wird im Rahmen dieses Sachver-haltes geführt.Die natürliche Lebensdauer des oberen Hyperfein-Niveaus wurde mit 49,5(6,5) ms gemessen und ist mit dem Theoriewert von 52,3(2) ms verträglich. Durch präzise Lebensdauermes-sungen können QED-Korrekturen zum g-Faktor des gebundenen Elektrons getestet werden.

Neuartige kryogene Penning-Falle für den Nachweis von Spin-Übergängen eines Protons und Bestimmung seines g-Faktors

In dieser Arbeit wird der Entwurf, der Aufbau, die Inbetriebnahme und die Charakterisierung einer neuartigen Penning-Falle im Rahmen des Experiments zur Bestimmung des g-Faktors des Protons präsentiert. Diese Falle zeichnet sich dadurch aus, dass die Magnetfeldlinien eines äußeren homogenen Magnetfeldes durch eine ferromagnetische Ringelektrode im Zentrum der Falle verzerrt werden. Der inhomogene Anteil des resultierenden Magnetfeldes, die sogenannte magnetische Flasche, lässt sich durch den Koeffizient B2 = 297(10) mT/mm2 des Terms zweiter Ordnung der Ortsabhängigkeit des Feldes quantifizieren. Eine solche ungewöhnlich starke Feldinhomogenität ist Grundvoraussetzung für den Nachweis der Spinausrichtung des Protons mittels des kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effektes. Dieser Effekt basiert auf der im inhomogenen Magnetfeld entstehenden Kopplung des Spin-Freiheitsgrades des gefangenen Protons an eine seiner Eigenfrequenzen. Ein Spin-Übergang lässt sich so über einen Frequenzsprung detektieren. Dabei ist die nachzuweisende Änderung der Frequenz proportional zu B2 und zum im Fall des Protons extrem kleinen Verhältnis zwischen seinem magnetischen Moment nund seiner Masse. Die durch die benötigte hohe Inhomogenität des Magnetfeldes bedingten technischen Herausforderungen erfordern eine fundierte Kenntnis und Kontrolle der Eigenschaften der Penning-Falle sowie der experimentellen Bedingungen. Die in der vorliegenden Arbeit entwickelte Penning-Falle ermöglichte den erstmaligen zerstörungsfreien Nachweis von Spin-Quantensprüngen eines einzelnen gefangenen Protons, was einen Durchbruch für das Experiment zur direkten Bestimmung des g-Faktors mit der angestrebten relativen Genauigkeit von 10−9 darstellte. Mithilfe eines statistischen Verfahrens ließen sich die Larmor- und die Zyklotronfrequenz des Protons im inhomogenen Magnetfeld der Falle ermitteln. Daraus wurde der g-Faktor mit einer relativen Genauigkeit von 8,9 × 10−6 bestimmt. Die hier vorgestellten Messverfahren und der experimentelle Aufbau können auf ein äquivalentes Experiment zur Bestimmung des g-Faktors des Antiprotons zum Erreichen der gleichen Messgenauigkeit übertragen werden, womit der erste Schritt auf dem Weg zu einem neuen zwingenden Test der CPT-Symmetrie im baryonischen Sektor gemacht wäre.

Interlaboratory ring test of time-resolved fluoroimmunoassays for zeranol and alpha-zearalenol and comparison with zeranol test kits

Many zeranol immunoassay test kits cross-react with toxins formed by naturally occurring Fusarium spp. fungi, leading to false-positive screening results. This paper describes the evaluation and application of recently published, dry reagent time-resolved fluoroimmunoassays (TR-FIA) for zeranol and the toxin alpha-zearalenol. A ring test of bovine urine fortified with zeranol and/or alpha-zearalenol in four European Union National Reference Laboratories demonstrated that the TR-FIA tests were accurate and robust. The alpha-zearalenol TR-FIA satisfactorily quantified alpha-zearalenol in urine fortified at 10-30 ng ml(-1) . The specificity-enhanced zeranol TR-FIA accurately quantified zeranol in the range 2-5 ng ml(-1) and gave no false-positive results in blank urine, even in the presence of 30 ng ml(-1) alpha-zearalenol. Zeranol TR-FIA specificity was demonstrated further by analysing incurred zeranol-free urine samples containing natural Fusarium spp. toxins. The TR-FIA yielded no false-positive results in the presence of up to 22 ng ml(-1) toxins. The performance of four commercially available zeranol immunoassay test kits was more variable. Three kits produced many false-positive results. One kit produced only one potential false-positive using a protocol that was longer than that of the TR-FIA. These TR-FIAs will be valuable tools to develop inspection criteria to distinguish illegal zeranol abuse from contamination arising from in vivo metabolism of Fusarium spp. toxins.

Intrinsic test of independence in contingency tables

A condition needed for testing nested hypotheses from a Bayesian viewpoint is that the prior for the alternative model concentrates mass around the small, or null, model. For testing independence in contingency tables, the intrinsic priors satisfy this requirement. Further, the degree of concentration of the priors is controlled by a discrete parameter m, the training sample size, which plays an important role in the resulting answer regardless of the sample size. In this paper we study robustness of the tests of independence in contingency tables with respect to the intrinsic priors with different degree of concentration around the null, and compare with other “robust” results by Good and Crook. Consistency of the intrinsic Bayesian tests is established. We also discuss conditioning issues and sampling schemes, and argue that conditioning should be on either one margin or the table total, but not on both margins. Examples using real are simulated data are given

An experimental test of response consistency in contingent valuation

We compare hypothetical and observed (experimental) willingness to pay (WTP) for a gradual improvement in the environmental performance of a marketed good (an office table). First, following usual practices in marketing research, subjects’ stated WTP for the improvement is obtained. Second, the same subjects participate in a real reward experiment designed to replicate the scenario valued in the hypothetical question. Our results show that, independently of the degree of the improvement, there are no significant median differences between stated and experimental data. However, subjects reporting extreme values of WTP (low or high) exhibit a more moderate behavior in the experiment.

Avaliação do kit TF-Test para o diagnóstico das infecções por parasitas gastrintestinais em ovinos

This study was performed to standardize parasite egg counting in feces of sheep by TF-Test, in addition to compare this test to the Gordon & Whitlock technique (G&W). Twenty-four lambs were artificially infected with Haemonchus contortus throughout 12 weeks. At the end of this time, faecal samples were taken and animals were slaughtered for worm identification and counting. G&W and TF-Test methods were carried out on each fecal sample. Both tests showed Haemonchus eggs in 95.8% of the samples (P>0.05). The correlation coefficients (r) between fecal egg counts (FEC) using G&W × Total Worm Count (TWC) were r=0.52 (not transformed data) and r=0.85 (transformed data); between FEC by TF-Test × TWC were r=0.51 (not transformed data) and r=0.87 (transformed data). Other 100 fecal samples were taken from naturally infected sheep. In these animals, the G&W and TF-Test methods showed 85% and 86% of fecal samples positive for Strongylidea eggs, respectively (P>0.05). Also in those animals, Eimeria oocysts were found in 33% of fecal samples by TF-Test, whereas in the G&W only 12% were positive (P<0.001). For Strongyloides spp., TF-Test showed 15% of positive fecal samples, whereas G&W showed 5% (P<0.05). In conclusion, both methods were efficient to diagnose gastrointestinal nematodes and TF-Test was superior to diagnose oocysts of Eimeria spp. and eggs of Strongyloides spp; conversely, Strongylidea eggs counting using TF-Test was underestimated.

Item and task difficulty in a B2 reading examination: perceptions of test-takers and CEFR alignment experts compared with psychometric measurements

The article presents a study of a CEFR B2-level reading subtest that is part of the Slovenian national secondary school leaving examination in English as a foreign language, and compares the test-taker actual performance (objective difficulty) with the test-taker and expert perceptions of item difficulty (subjective difficulty). The study also analyses the test-takers’ comments on item difficulty obtained from a while-reading questionnaire. The results are discussed in the framework of the existing research in the fields of (the assessment of) reading comprehension, and are addressed with regard to their implications for item-writing, FL teaching and curriculum development.