Test of quantum electrodynamics in strong Coulomb fields // Test of quantum electrodynamics in strong Coulomb fields

Cette thèse de doctorat sera centrée sur deux nouvelles expériences de spectroscopie des rayons X à haute précision sur des ions lourds à quelques électrons et dans les atomes exotiques, visant à tester l'électrodynamique quantique (QED) dans des champs coulombiens intenses (le champ de l'ion fortement chargé). Dans ce régime, les méthodes perturbatives ne peuvent pas être utilisées pour les prédictions théoriques, et les contributions de la polarisation du vide ainsi que de l'self-énergie de l'électron doivent être calculées à tous les ordres. Actuellement, les calculs les plus avancés de la QED en état lié se limitent aux contributions à deux boucles. Pour fournir de nouvelles données expérimentales aux théoriciens, deux expériences sont en préparation au sein de nos équipes, utilisant une spectroscopie des rayons X à haute résolution. La première expérience consiste en l'évolution d'une expérience récente sur la spectroscopie des rayons X d'ions de type hélium (2 électrons), qui représentent actuellement l'un des tests les plus stricts de la QED en état lié (Loetzsch, Nature 2024). L'amélioration de cette expérience consistera à utiliser une nouvelle source d'étalonnage en énergie ainsi que des modifications supplémentaires du montage expérimental. Une réduction de l'incertitude d'un facteur de près de 20 est attendue, soit une amélioration d'un facteur 10 par rapport à l'incertitude des prédictions théoriques actuelles. À cette fin, le spectromètre Bragg double sera mis à niveau avec deux détecteurs TIMEPIX3 pour des mesures en coïncidence. La deuxième expérience se concentre sur la spectroscopie d'ions à quelques électrons de numéro atomique moyen. Pour cela, un nouveau détecteur microcalorimètre de pointe sera utilisé pour mesurer les transitions d'énergie d'ions fortement chargés produits par le plasma chaud d'une source d'ions ECR. Par la suite, ce même détecteur sera utilisé pour tester la QED dans des atomes bien plus exotiques : les atomes antiprotoniques. L'objectif de ce projet de thèse sera, dans une première phase, de tester et de mettre en place le système d'acquisition des nouveaux détecteurs, puis de réaliser les premiers tests avec des cibles de fluorescence. Une campagne expérimentale sera ensuite menée avec des ions multichargés dans notre installation SIMPAsur le campus Pierre et Marie Curie, ainsi qu'avec des ions lourds fortement chargés (spectroscopie de l'uranium de type hélium) au GSI en Allemagne et avec des atomes antiprotoniques au CERN., Présentation établissement et labo d'accueil

Sorbonne Université SIS (Sciences, Ingénierie, Santé)

Etablissement délivrant le doctorat

Sorbonne Université SIS (Sciences, Ingénierie, Santé)

Ecole doctorale

564 Physique en Ile de France

This Ph.D. will be centred on two new experiments on high-accuracy x-ray spectroscopy of few-electron heavy ions and exotic atoms for testing quantum electrodynamics (QED) in strong Coulomb fields (the field of the highly charged ion). In this regime, perturbative methods cannot be used for theoretical predictions, and contributions of the vacuum polarisation of the electron self-energy have to be calculated to all orders. At present, the most advanced calculations of bound state QED are limited to the calculation of two-loop contributions. To provide new experimental inputs to the theoreticians, two experiments are in preparation in our teams, using high-resolution x-ray spectroscopy. The first experiment consists of the evolution of a recent successful experiment on the x-ray spectroscopy of helium-like (2-electron) ions, which represent, at present, one of the most stringent tests of bound state QED (Loetzsch, Nature 2024). The upgrade of such an experiment will consist of the use of another energy calibration source and some additional setup modifications. An uncertainty reduction of a factor of almost 20 is expected, 10 times better than the uncertainty of the present theoretical predictions. For this purpose, the twin Bragg spectrometer will be upgraded with two TIMEPIX3 detectors for coincidence measurements. The second experiment is focused on the spectroscopy of middle-Z few-electron ions. For this goal, a new state-of-the-art microcalorimeter detector will be used to measure the energy transition of highly charged ions produced by the hot plasma from an ECR ion source. Following this, this same detector will be used for testing QED in much more exotic atoms: antiprotonic atoms. The goal of the Ph.D. project will be firstly to test and set up the acquisition system of the new detectors and to make first tests with fluorescence targets. Following, an experimental campaign will be conducted with medium-Z highly charged ions in our SIMPA installation on the Pierre et Marie Curie campus and with heavy highly charged ions (helium-like uranium spectroscopy) at GSI in Germany and with antiprotonic atoms at CERN., Des connaissances dans un ou plusieurs des domaines suivants sont requises : physique atomique, spectroscopie des rayons X et Python. Knowledge in one or several of the following topics is required: atomic physics, x-ray spectroscopy, and Python.

ions multichargés, atomes exotiques, électrodynamique quantique en état lié, spectroscopie des rayons X highly charged ions, exotic atoms, bound states quantum electrodynamics, x-ray spectroscopy