Quantum Electrodynamics Tests and X-rays Standards using Pionic Atoms and Highly Charged Ions
Tests d'Électrodynamique Quantique et Étalons de Rayons-X à l'Aide des Atomes Pioniques et des Ions Multichargés
Résumé
The object of this thesis is to present a new measurement of the pion mass using pionic nitrogen X-ray spectroscopy and results on helium-like argon and sulphur spectroscopy. The new pion mass has been measured with an accuracy of 1.7 ppm, 30% better that the present world average value, and it is obtained from Bragg spectroscopy of 5 -> 4 pionic nitrogen transitions using the theoretical predictions provided by QED. I present the calculation of the hyperfine structure and recoil corrections for pionic atoms using a new perturbation method for the Klein-Gordon equation. The spectrometer used for this measurement has been characterized with the relativistic M1 transitions from he-like ions produced with a new device, the Electron-Cyclotron-Resonance Ion Trap. High statistics spectra from these ions enable to measure transition energies with a precision of some ppm that allows to compare theoretical predictions with experiment. X-ray emission from pionic atoms and multicharged ions can be used to define new types of X-ray standards for energies of a few keV.
L'objet de cette thèse est de présenter une nouvelle mesure de la masse du pion en utilisant la spectroscopie X de l'hydrogène pionique et des résultats de spectroscopie de l'argon et du soufre héliumoïdes. La nouvelle masse du pion a été mesurée avec une précision 30% supérieure à la moyenne mondiale actuelle, c'est-à-dire égale à 1.7 ppm. Elle a été obtenue par spectroscopie de Bragg des transitions 5 -> 4 de l'azote pionique en utilisant les prédictions théoriques de QED. Je présente le calcul de la structure hyperfine et celui de la correction de recul du noyau pour les atomes pioniques au moyen d'une nouvelle méthode de perturbation de l'équation Klein-Gordon.Le spectromètre utilisé pour cette mesure a été caractérisé grâce aux transitions relativistes des atomes héliumoïdes produits dans un nouveau type de source d'ions à résonance cyclotronique des électrons. Les spectres haute statistique de ces ions permettent de mesurer les énergies de transition avec une précision de quelques ppm, ce qui permet de tester, avec un degré de précision jamais atteint, les prédictions théoriques. L'émission de rayons-X des atomes pioniques et des ions multichargés peut ainsi être utilisée pour la définition de nouveaux étalons de rayons-X de quelques keV.
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