Höchstauflösende Laserspektroskopie an atomarem Wasserstoff

In der vorliegenden Arbeit werden die Weiterentwicklung des
experimentellen Aufbaus zur 1S-2S-Zweiphotonenspektroskopie an
atomarem Wasserstoff sowie die damit durchgeführten Messungen
beschrieben. Die natürliche Linienbreite des dipolverbotenen
1S-2S-Übergangs ist mit 1,3 Hz sehr gering. Dieser Übergang kann
durch Absorption zweier gegenläufiger Photonen bei einer
Wellenlänge von 243 nm Doppler-frei angeregt werden. Für eine
möglichst hohe Auflösung der Resonanz muß die den Übergang
treibende Strahlung eines frequenzverdoppelten Farbstofflasers,
dessen Fundamentale nahe 486 nm liegt, spektral schmal und stabil
sein. Daher wird der Farbstofflaser auf einen Referenzresonator
hoher Finesse stabilisiert. Der im Rahmen dieser Arbeit neu
aufgebaute Referenzresonator wurde weitestgehend von
Umwelteinflüssen entkoppelt, so daß die Drift des auf ihn
stabilisierten Lasers nun weniger als 1 Hz/s und seine Linienbreite
in 2 s weniger als 100 Hz bei 486 nm beträgt. Eine modifizierte
Atomstrahlapparatur mit differentiell gepumptem
Wechselwirkungsbereich und effizienterer Detektion der 2S-Atome
erlaubt nun die Spektroskopie bei niedrigerer Lichtleistung und
damit geringerer Verbreiterung des Übergangs durch Ionisation
metastabiler Atome. Desweiteren können kältere Atome untersucht
werden, deren Spektren kleinere geschwindigkeitsabhängige
systematische Effekte aufweisen. Mit diesem Aufbau wurden Spektren
einer Breite von nur 500 Hz bei 243 nm aufgenommen, was einer
relativen Auflösung von 4x10^-13 entspricht. Nach Einführung einer
differentiellen Meßmethode konnte die Hyperfeinaufspaltung des
2S-Niveaus in atomarem Wasserstoff erstmals mit optischen Methoden
bestimmt werden, wobei das Ergebnis von 177 556 860(16) Hz den
bisher genauesten Wert für diese Größe darstellt. Ein daraus
abgeleiteter Test der QED gebundener Systeme bestätigt die Theorie
auf einem Niveau von 1,2x10^-7. In Zusammenarbeit mit dem
Frequenzkamm-Labor wurde die Frequenz des 1S-2S-Übergangs erneut
gegen die transportable FOM-Cs-Fontände des BNM-SYRTE, Paris,
absolut gemessen und zu 2 466 061 413 187 087(34) Hz bestimmt. Dies
entspricht einer verbesserten relativen Auflösung von 1,4x10^-14.
Im Vergleich mit dem Ergebnis der vorigen Messung aus dem Jahre
1999 und unter Berücksichtigung der Drift eines Uhrenübergangs in
199-Hg+ kann daraus erstmals eine obere Grenze für die relative
Drift der Feinstrukturkonstanten von (-0,9 +- 2,9)x10^-15 pro Jahr
abgeleitet werden, ohne daß zusätzliche Annahmen über die
Stabilität der anderen Kopplungskonstanten getroffen werden
müsssen. Diese Drift ist im Rahmen des Fehlers mit Null
verträglich.