The muonic hydrogen Lamb-shift experiment

R. Pohl, A. Antognini, F.D. Amaro, F. Biraben, J.M.R. Cardoso, C.A.N. Conde, A. Dax, S. Dhawan, L.M.P. Fernandes, T.W. Hänsch, F.J. Hartmann, V.W. Hughes, O. Huot, P. Indelicato, L. Julien, P.E. Knowles, F. Kottmann, Y.-W. Liu, L. Ludhova, C.M.B. Monteiro, F. Mulhauser, F. Nez, P. Rabinowitz, J.M.F. dos Santos, L.A. Schaller, C. Schwob, D. Taqqu, and J.F.C.A. Veloso
Can. J. Phys./Rev. can. phys. 83(4): 339-349 (2005)

Full text (PDF 206 kb)    

Abstract: The charge radius of the proton, the simplest nucleus, is known from electron-scattering experiments only with a surprisingly low precision of about 2%. The poor knowledge of the proton charge radius restricts tests of bound-state quantum electrodynamics (QED) to the precision level of about 6 × 10^–6, although the experimental data themselves (1S Lamb shift in hydrogen) have reached a precision of 2 × 10^–6. The determination of the proton charge radius with an accuracy of 10^–3 is the main goal of our experiment, opening a way to check bound-state QED predictions to a level of 10^–7. The principle is to measure the 2S–2P energy difference in muonic hydrogen (µ^–p) by infrared laser spectroscopy. The first data were taken in the second half of 2003. Muons from our unique very-low-energy muon beam are stopped at a rate of ~100 s^–1 in 0.6 mbar H₂ gas where the lifetime of the formed µp(2S) atoms is about 1.3 µs. An incoming muon triggers a pulsed multistage laser system that delivers ~0.2 mJ at λ ≈ 6 µm. Following the laser excitation µp(2S) → µp(2P) we observe the 1.9 keV X-rays from 2P–1S transitions using large area avalanche photodiodes. The resonance frequency, and, hence, the Lamb shift and the proton radius, is determined by measuring the intensity of these X-rays as a function of the laser wavelength. A broad range of laser frequencies was scanned in 2003 and the analysis is currently under way.

PACS Nos.: 36.10.Dr, 14.20.Dh, 42.62.Fi

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Texte intégral (PDF de 206 ko)    

Résumé : Nous ne connaissons le rayons de la distribution de charge du proton, le noyau le plus simple, qu'à une précision de 2%. Cette médiocre précision dans le rayon de charge limite les test de QED pour états liés à une précision d'environ 6 × 10^–6, même si les données expérimentales elles-mêmes (effet Lamb 1S dans H) atteignent une précision de 2 × 10^–6. Le but principal de notre travail est de déterminer le rayon de charge du proton avec une précision de 10^–3, permettant de calculer les effets QED liés avec une précision de 10^–7. L'idée est de mesurer la différence en énergie 2S–2P dans l'atome H muonique (µ^–p) par spectroscopie laser infra-rouge. Les premières données ont été obtenues dans la deuxième moitié de 2003. Les muons de notre faisceau unique de muons de très basse énergie sont arrêtés au taux de 100s^–1 dans du H₂ à 0,6 mbar où la demi-vie des atomes muoniques formés, µp(2S), est d'environ 1,3 µs. Un muon incident déclenche un pulse laser d'énergie ~0,2 mJ à λ ≈ 6 µm. Suivant l'excitation par laser µp(2S) →  µp(2P), nous observons le rayon X à 1,9 keV de la transition 2P–2S en utilisant de grandes photodiodes à avalanche. La fréquence de résonance, donnant le déplacement Lamb et le rayon du proton, est déterminée en mesurant l'intensité de ces rayons X en fonction de la longueur d'onde laser. Nous avons fait un large balayage en fréquence laser en 2003 et nous étudions actuellement les résultats.

[Traduit par la Rédaction]

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