English Title: Lifetime Measurements of Metastable Atomic States in Helium-like Heavy Ions

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Abstract

Die Messung von atomaren Lebensdauern eröffnet die Möglichkeit, diverse Aspekte der atomaren Struktur aber auch der Kernstruktur zu untersuchen. Im Fall von He-ähnlichem Gold läßt sich die relativistische Feinstrukturaufspaltung 2${}^3$P${}_0$-2${}^3$P${}_1$ untersuchen, da die Lebensdauer des metastabilen 2${}^3$P${}_0$-Zustands durch Hyperfein-Mischen aufgrund des Kernspins $I=3/2^+$ von ${}^{197}$Au von dieser Feinstrukturaufspaltung abhängt. In He-ähnlichem Uran läßt sich hingegen die 2s-Lamb-Verschiebung untersuchen, da aufgrund des verschwindenden Kernspins in ${}^{238}$U kein Hyperfein-Mischen auftritt. Basierend auf der Methode der Beam-Foil-Spektroskopie, wobei mithilfe eines Magnetspektrometers der Vorteil von Teilchen-Röntgen-Koinzidenzen ausgenutzt werden konnte, ist an der Beschleunigeranlage der GSI in Darmstadt die Lebensdauer des 2${}^3$P${}_0$-Zustands in heliumählichem Gold zu $au=22,08pm0,96$ ps und in heliumähnlichem Uran zu $au=58,2pm9,5$ ps bestimmt worden. Die experimentellen Resultate stimmen mit den theoretischen Vorhersagen überein. Das Hyperfein-Mischen hängt auch vom magnetischen Moment des Kerns ab. Unter der Voraussetzung, daß die Feinstrukturaufspaltung genau genug bekannt ist, können durch Messungen der hyperfein-gemischten Lebensdauer des 2${}^3$P${}_0$-Zustands umgekehrt Kern-g-Faktoren bestimmt werden.

Translation of abstract (English)

The determination of atomic lifetimes offers the possibility to investigate various aspects of the atomic but also of the nuclear structure. In the case of He-like gold, due to hyperfine quenching, it is possible to determine the 2${}^3$P${}_0$-2${}^3$P${}_1$ fine-structure splitting from a measurement of the lifetime of the metastable, hyperfine-quenched 2${}^3$P${}_0$ state, since ${}^{197}$Au has a nuclear spin of $I=3/2^+$. In He-like uranium it is possible to derive the 2s Lamb shift from the lifetime of the unperturbed 2${}^3$P${}_0$ state, because the nuclear spin of ${}^{238}$U is zero. The experiments based on the method of beamfoil spectroscopy have been performed at the GSI accelerator facility located in Darmstadt and have taken advantage of particle-x-ray coincidences using a charge state spectrometer. The following values for lifetime of the 2${}^3$P${}_0$ state have been measured: $au=22,08pm0,96$ ps in the case of He-like gold and $au=58,2pm9,5$ ps in the case of He-like uranium. These results are in agreement with theoretical predictions. Under the assumption that the fine-structure splitting is known accurately enough, one can also derive nuclear g-factors from lifetime measurements of the hyperfine-quenched 2${}^3$P${}_0$ state as the effect of hyperfine quenching also depends on the nuclear magnetic moment.