Highly charged ions as a tool for fundamental physics and tests of the Standard Model

Hochgeladene Ionen stehen seit Jahrzehnten im Fokus intensiver Forschung, unter anderem aufgrund ihrer essentiellen Bedeutung für Plasma- und Astrophysik als auch für Tests der Quantenelektrodynamik und für die Suche nach neuer Physik. Diese theoretische Arbeit untersucht das Potenzial von Spektroskopie hochgeladener Io- nen für Fragestellungen der fundamentalen Physik in verschiedenen experimentellen Szenarien. Diese reichen von Präzisionsspektroskopie von optischen Übergängen in Io- nen über die Wechselwirkung von Synchrotronstrahlung mit in einer Electron Beam Ion Trap (EBIT) gespeicherten Ionen bis hin zur Spektroskopie hochgeladener Io- nen im Large Hadron Collider am CERN. Im Rahmen der Arbeit wird eine King- Plot-Analyse von Isotopenverschiebungen in einfach geladenen Ca+- und hochgelade- nen Ca14+-Ionen durchgeführt. Diese Analyse ermöglicht Einblicke in Kernpolarisa- tionseffekte auf die elektronische Struktur der Ionen und erlaubt es, die mögliche Kopplung eines hypothetischen neuen Bosons an Neutronen und Elektronen einzu- schränken. Im zweiten Abschnitt dieser Arbeit wird der Einfluss von externen elek- trischen und magnetischen Feldern auf die resonante Streuung von Photonen an hochgeladenen Ionen untersucht. Insbesondere wird die Möglichkeit untersucht, das Magnetfeld in einer EBIT zur Bestimmung von Lebensdauern angeregter Zustände in hochgeladenen Ionen über den Hanle-Effekt zu nutzen. Solche Daten sind essentiell für die Diagnostik von Labor- und astrophysikalischen Plasmen. Schließlich wird die Spektroskopie hochgeladener Ionen im Large Hadron Collider im Rahmen des Gamma-Factory-Projekts betrachtet. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Szenario, in dem die Ionen einem Magnetfeld im Kollisionsbereich ausgesetzt werden. Durch die relativistischen Geschwindigkeiten der Ionen führt dies zu starken magnetischen und elektrischen Feldern im Ruhesystem des Ions. Die Auswirkungen dieser Felder auf den Streuprozess eröffnen Anwendungsmöglichkeiten im Kontext der Gamma Factory, beispielsweise zur Feinjustierung der Resonanzbedingung, zur Kühlung des Ionenstrahls sowie zur Kontrolle der Polarisation der gestreuten Photon