Es werde Licht! Wie Laser uns helfen die Welt zu verstehen

Transkript

1 Es werde Licht! Wie Laser uns helfen die Welt zu verstehen Anwendungen des Lasers an den Grenzen des Wissens Wilfried Nörtershäuser

2 Gliederung Einleitung Laser auf Schritt und Tritt... Wechselwirkung von Licht mit Atomen Grundlagen des Lasers Einsatz in der Grundlagenforschung Entfernungsmessungen Gravitationswellendetektoren (ART) Test der Speziellen Relativitätstheorie (SRT) Größe und Form von Atomkernen 2

3 TEIL I: Einleitung Laser auf Schritt und Tritt... 3

4 Der Laser als universelles Werkzeug Laser können zeigen, schneiden, schweissen, lesen, schreiben, messen, drucken, bohren, reinigen, markieren, löten, beschichten, perforieren, sintern, heilen, telefonieren, surfen, fernsehen,... Sie arbeiten berührungsfrei, verschleissfrei, kräftefrei, leicht steuerbar und evtl. hochintensiv 4

5 Der Laser im Alltag Was macht Laserlicht so einzigartig? 5

6 TEIL I: Laser auf Schritt und Tritt... Wechselwirkung von Licht mit Atomen Grundlagen des Lasers 6

7 Was ist Licht? Licht ist (auch) eine elektromagnetische Welle: λ Aber: Die Lichtenergie ist gequantelt E=hν. Die Quanten (Teilchen) des Lichts heissen Photonen! 7

8 Lichtquellen 8

9 Das Atom 1 fm 1 Å = 0.1 nm 9

10 Das Wasserstoffatom und Linienspektren Energie/ Frequenz ν 10

11 Das Atom Induzierte Absorption Spontane Emission Induzierte Emission 11

12 TEIL I: Laser auf Schritt und Tritt... Wechselwirkung von Licht mit Atomen Grundlagen des Lasers 12

13

14 Essbare Laser (Source: Hänsch, T.; Pernier, M.; Schawlow, A. IEEE Journal of Quantum Electronics 1971, 7, ) T.W. Hänsch 14

15 Lasertypen Aktives Medium Festkörperlaser Gaslaser Flüssigkeitslaser Halbleiterlaser Faserlaser Betriebsart Gepulst (Pulslängen ns-fs/as) Kontinuierlich 15

16 TEIL II: Anwendungen in der Grundlagenforschung 16

17 Kräfte (Wechselwirkungen) im Standardmodell Elektromagnetische Kraft Starke Kraft Schwache Kraft Gravitation Lorentzsymmetrie (SRT) CPT-Theorem (Feldtheorien) W. Nörtershäuser 17

18 TEIL II: Anwendungen in der Grundlagenforschung - Entfernungsmessungen (u.a. Test des Gravitationsgesetzes und der Allgemeinen Relativitätstheorie ART) 18

19 Prinzip der Entfernungsmessung mit Lasern Gesendeter Puls Empfangener Puls ΔT Distanz = c ΔT / 2 19

20 Entfernung des Mondes Der Laser-Reflektor, der von der Apollo-11- Besatzung auf dem Mond stationiert wurde (NASA). Prinzip des Retroreflektors 20

21 Hochpräzisionsmessung des Mondabstandes Genauigkeit 5 mm Abstand vergrößert sich um 3.8 cm/jahr (Gezeitenreibung) Messungen geben u.a. Aufschluss über: zeitveränderliche Gravitationskonstante (d/dt G)/G < 5x10-12 Jr -1 ) Abweichung von 1/r 2 Gesetz Einfluss dunkler Materie Parameter der Allgemeinen Relativitätstheorie Effekte bevorzugter Inertialsysteme (SRT) 21

22 MOLA Oberfläche des Mars 200,000,000 Punkte Planare Auflösung 15 km Höhenauflösung < 5 m 22

23 TEIL II: Anwendungen in der Grundlagenforschung - Entfernungsmessungen - Gravitationswellendetektoren (ART) 23

24 Die Allgemeine Relativitätstheorie Die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) beschreibt die Gravitation als eine geometrische Eigenschaft der Vierdimensionalen Raumzeit. Jeder massebehaftete Körper krümmt die Raumzeit - ein Lichtstrahl muss dieser Krümmung folgen und wird entsprechend abgelenkt. 24

25 Quellen von Gravitationswellen Doppelsternsysteme Schwarze Löcher Gravitationswellen von einander umkreisenden Neutronensternen Supernovae Verschmelzende Schwarze Löcher 25

26 Eigenschaften und Ausbreitung von Gravitationswellen Gravitationswellen stauchen und dehnen Masseverteilungen! Diese Störungen pflanzen sich wellenartig durch den Raum fort. 26

27 Prinzip des Interferometers dunkel hell 27

28 Nachweis von Gravitationswellen 28

29 Interferometrische Gravitationswellendetektoren LIGO Hanford Observatory (LHO) Geo 600 bei Hannover 29

30 Die (noch) Utopie: LISA LISA: Laser Interferometer Space Antenna 30

31 TEIL II: Anwendungen in der Grundlagenforschung - Entfernungsmessungen - Gravitationswellendetektoren (ART) - Test der Speziellen Relativitätstheorie (SRT) 31

32 Test der Speziellen Relativitätstheorie Die Zeitdilattation 32

33 Klassischer und relativistischer Doplereffekt 33

34 Doppler Effekt in der Astronomie 34

35 Prinzip des Tests der Speziellen Relativitätstheorie Laser P β bewegte Uhr = Absorber ν 0 Laser A ν = ν γ 1 p 0 ( + β) PM ν = ν γ 1 a 0 ( β) ν p ν 2 ν 0 a = γ 2 ( 2 1 β ) = 1+ ε 35

36 Die Dopplerverschiebung der Uhrenfrequenz 3.0%c λ a = 565 nm λ p = 532 nm 34%c λ a = 780nm λ p = 386 nm Wavelength [nm] 6.4%c λ a = 585 nm λ p = 514 nm λ 0 = 548 nm λ = 580nm at rest Ion velocity β [c] 36

37 Uhren auf Touren λ p 386nm β = 0.34 λ a 780 nm λ 0 = 548 nm ECR-Ion source equipped with LiF 58 MeV/u (without cooling) RFQ & HI (1.4MeV/u) with v = 34%c to ESR AP-Seminar 37

38 Resultate der jüngsten Strahlzeit ν p ν a ε 1 = ν ν 1 2 = ±

39 Die, die die Arbeit machen... S. Karpuk 1 B. Bernhardt 4, D. Bing 2, G. Ewald 3, C. Geppert 2, G. Gwinner 5, T. W. Hänsch 4, R. Holzwarth 4, G. Huber 1, H.-J. Kluge 3, T. Kühl 1,3, W. Nörtershäuser 1,3, D. Schwalm 2,T. Stöhlker 3, T. Udem 4, A. Wolf 2 39

40 TEIL II: Anwendungen in der Grundlagenforschung - Entfernungsmessungen - Gravitationswellendetektoren (ART) - Test der Speziellen Relativitätstheorie (SRT) - Größe und Form von Atomkernen 40

41 Aufbau der Atome sichtbares Licht: λ = nm Auflösungsgrenze: Dimension des Objektes Wellenlänge 1 fm 1 Å = 0.1 nm 41

42 Atomkerneigenschaften aus der Laserspektroskopie Isotop 1 Aufspaltung Isotop 2 ISOTOPIEVERSCHIEBUNG Kernvolumeneffekt Änderung des Ladungsradius HYPERFEINSTRUKTUR 1. Hyperfeinstruktur Kernspin 2. Magnetische Hyperfeinstruktur Magnetisches Moment des Kerns 3. Electrische (Quadrupol) Hyperfeinstruktur Deformation des Kerns 42

43 Halokerne Atomkerne mit Heiligenschein Neutron Halo 11 Li Stable nuclei 208 Pb 43

44 The Solution Kollineare Laserspektroskopie Ionenstrahl E kin ~60 kev kollinearer Laserstrahl feste Frequenz + ( ) ν = ν γ 1+ β c 0 Doppler-Verstimmung Beschleunigung/ Anti-kollinearer Laserstrahl Feste Frequenz ( β) ( β) ν = ν γ 1+ c 0 ν = ν γ 1 ( ) Abbremsen a 0 ν = a ν c = ν0 γ 1 β ν0 44

45 Ladungsradien der Berylliumisotope 45

46 Ladungsradien der Berylliumisotope 7 Be 8 Be 9 Be 10 Be 11 Be 11 Be Bilder z.t. von Peter Müller 46

47 Berylium im Kasten! M. Zakova, October 2004 D. Tiedemann,, Z.Andjelkovich, K. Blaum, M. Bissell, R. Cazan, G.W.F. Drake, Ch. Geppert, M. Kowalska, J. Krämer, A. Krieger, R. Neugart, W. Nörtershäuser R. Sanchez, B. F. Schmidt-Kaler, Z.-C. Yan, D. Yordanov, C. Zimmermann 11Be at COLLAPS, June 2008 Laser Spectroscopy of Highly Charged Ions and Exotic Radioactive Nuclei (VH-NG-148 Helmholtz Young Investigators Group) Funding: 47

48 Laserspektroskopie an weiteren Halokernen W. Nörtershäuser 48

49 Laserspektroskopie Experimente an der GSI Spektroskopie an Halokernen (Li, Be) Mainz, Tübingen, Ulm Laser cooling on C 3+ ions (@ESR) FZR, Darmstadt, Mainz Tests der QED an HCI in einer Penningfalle(@HITRAP) Imperial College, Mainz, Münster, Darmstadt, LLNL & Berkley, Texas A&M Test der SRT mit Li + Ionen (@ESR) Mainz, MPIK,MPQ Test der QED: HFS von H- und Li-like Bi (@ESR) Mainz, Münster 49

50 LaserSpHERe hockend (von links): Christian Novotny, Manuel Vogel, Zoran Andjelkovic, Jörg Krämer, Christopher Geppert, Wilfried Nörtershäuser stehend (von links): Radu Cazan, Dirk Tiedemann, Monika Zakova, Bettina Sommer, Benjamin Botermann, Andreas Krieger, Rodolfo Sánchez W. Nörtershäuser 50

51 ENDE The W. Nörtershäuser 51