High precision tests of QED : measurement of the alpha-particle and helion rms charge radius and the transition energies in highly-charged ions

par Jorge Felizardo Dias Cunha Machado

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Paul Indelicato et de José Paulo Santos.

Soutenue le 26-02-2018

à Sorbonne université en cotutelle avec l'Universidade nova de Lisboa. Faculdade de ciências e tecnologia (Lisboa, Portugal) , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Laboratoire Kastler Brossel / LKB (Jussieu) (laboratoire) .

Le président du jury était Maria Luisa Carvalho.

Le jury était composé de Martino Trassinelli, João Veloso, Maria Adelaide de Almeida Pedro de Jesus.

Les rapporteurs étaient Klaus Blaum, José Pires Marques.

  • Titre traduit

    Essais de haute précision du QED : mesures de la particule alpha et de la racine moyenne des rayons de charge de l'hélium et les énergies de transition en ions fortement chargés


  • Résumé

    Ce travail vise à contribuer à l’amélioration de notre connaissance de l’électrodynamique quantique des états liés, par des mesures de haute précision dans des états exotiques de la matière. Bien que notre connaissance de l’électrodynamique quantique des états liés et du problème relativiste à plusieurs corps aient fait des progrès importants ces dernières années, il reste des questions fondamentales dont la résolution nécessite d’augmenter le nombre et la précision des tests expérimentaux. La première partie de ce travail a été réalisée dans le cadre de l’expérience récente sur les ions muoniques d’hélium (μ4He+ et μ3He+) conduite par la collaboration CREMA. Cette expérience vise à fournir de nouvelles valeurs précises pour les rayons de charge moyens des noyaux des isotopes stables de l’hélium. Ces valeurs sont extraites de la mesure du déplacement de Lamb, c’est-à-dire, de la mesure de la différence d’énergie entre les États 2S − 2P. Une mesure des énergies de transition d’une précision d’au moins 50 ppm, permet de déterminer les rayons de charge des noyaux des isotopes d’hélium avec une incertitude de 0,03%, dix fois plus précise que les résultats précédents obtenus à partir de la diffusion d’électrons. La deuxième partie de ce travail a été de réaliser des mesures de haute précision de transitions de rayons X dans des ions fortement chargés, à l’aide d’un spectromètre à double cristal plan. Ces ions étaient produits dans le plasma d’une source d’ions de type ECRIS (electron-cyclotron resonance ion source). Le spectromètre utilisé est non seulement capable de fournir des mesures de haute précision, mais aussi des mesures sans référence à des énergies de transition théorique ou expérimentales. Quatre énergies de transition de n = 2 → n = 1 ont été mesurées pour des ions d’argon de trois états de charge différents, héliumoïde, lithiumoïde et berylliumoïde, avec une précision meilleure que 3 ppm. La largeur naturelle de chaque raie a également été obtenue expérimentalement. Les résultats trouvés sont en excellent accord avec les calculs théoriques les plus récents.


  • Résumé

    This work aims to provide insight on Bound-State Quantum-Electrodynamics (BSQED) by experimental fundamentals high-precision tests in exotic states of matter. Although BSQED and the relativistic many-body problem have been undergoing important progress, there are still some issues that require the increase of the number and accuracy of experimental fundamental tests. The first part of this work was done within the framework of the recent experiment in muonic helium ions (μ4He+ and μ3He+) by the CREMA collaboration. This experiment, aims to provide new accurate values for the root-mean-square (rms) charge radii of the helium isotopes nuclei that are extracted from the measurement of the Lamb Shift, i.e., the measurement of the energy difference between the 2S − 2P states. With the goal of measuring the transition energies with an accuracy of at least 50 ppm, the rms charge radii of the helium isotopes will be determined with an uncertainty of 0.03%, a factor of ten more precise than previous results obtained from electron scattering. The second part of this work aims the high-precision measurement of x-ray transitions in Highly-Charged Ions (HCI) using a Double-Crystal Spectrometer (DCS). These ions were produced in the plasma of an Electron-Cyclotron Resonance Ion Source (ECRIS). This kind of spectrometer is able not only to provide high-precision measurements but also reference-free measurements, without reference to any theoretical or experimental energy. Four transitions energies from n = 2 → n = 1 have been measured in an argon plasma in three different charge states, He-, Be- and Li-like, with an accuracy of better than 3 ppm. Besides the energies, the natural width of each transition has also been experimentally obtained. The obtained results are in excellent agreement with the most recent theoretical calculations.


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