High precision hyperfine measurements in Bismuth challenge bound-state strong-field QED

Johannes Ullmann, Zoran Andelkovic, Carsten Brandau, Andreas Dax, Wolfgang Geithner, Christopher Geppert, Christian Gorges, Michael Hammen, Volker Hannen, Simon Kaufmann, Kristian König, Yuri A. Litvinov, Matthias Lochmann, Bernhard Maaß, Johann Meisner, Tobias Murböck, Rodolfo Sánchez, Matthias Schmidt, Stefan Schmidt, Markus Steck, Thomas Stöhlker, Richard C. Thompson, Christian Trageser, Jonas Vollbrecht, Christian Weinheimer and Wilfried Nörtershäuser ()
Additional contact information
Johannes Ullmann: Institut für Kernphysik, Technische Universität Darmstadt
Zoran Andelkovic: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
Carsten Brandau: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
Andreas Dax: Paul Scherrer Institut
Wolfgang Geithner: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
Christopher Geppert: Institut für Kernphysik, Technische Universität Darmstadt
Christian Gorges: Institut für Kernphysik, Technische Universität Darmstadt
Michael Hammen: Institut für Kernchemie, Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Volker Hannen: Institut für Kernphysik, Westfälische Wilhelms-Universität Münster
Simon Kaufmann: Institut für Kernphysik, Technische Universität Darmstadt
Kristian König: Institut für Kernphysik, Technische Universität Darmstadt
Yuri A. Litvinov: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
Matthias Lochmann: Institut für Kernphysik, Technische Universität Darmstadt
Bernhard Maaß: Institut für Kernphysik, Technische Universität Darmstadt
Johann Meisner: Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Tobias Murböck: Institut für Angewandte Physik, Technische Universität Darmstadt
Rodolfo Sánchez: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
Matthias Schmidt: Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Stefan Schmidt: Institut für Kernphysik, Technische Universität Darmstadt
Markus Steck: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
Thomas Stöhlker: Helmholtz Institut Jena
Richard C. Thompson: QOLS Group, Imperial College London
Christian Trageser: I.Physikalisches Institut, Justus-Liebig-Universität Gießen
Jonas Vollbrecht: Institut für Kernphysik, Westfälische Wilhelms-Universität Münster
Christian Weinheimer: Institut für Kernphysik, Westfälische Wilhelms-Universität Münster
Wilfried Nörtershäuser: Institut für Kernphysik, Technische Universität Darmstadt

Nature Communications, 2017, vol. 8, issue 1, 1-7

Abstract: Abstract Electrons bound in highly charged heavy ions such as hydrogen-like bismuth 209Bi82+ experience electromagnetic fields that are a million times stronger than in light atoms. Measuring the wavelength of light emitted and absorbed by these ions is therefore a sensitive testing ground for quantum electrodynamical (QED) effects and especially the electron–nucleus interaction under such extreme conditions. However, insufficient knowledge of the nuclear structure has prevented a rigorous test of strong-field QED. Here we present a measurement of the so-called specific difference between the hyperfine splittings in hydrogen-like and lithium-like bismuth 209Bi82+,80+ with a precision that is improved by more than an order of magnitude. Even though this quantity is believed to be largely insensitive to nuclear structure and therefore the most decisive test of QED in the strong magnetic field regime, we find a 7-σ discrepancy compared with the theoretical prediction.

Date: 2017
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DOI: 10.1038/ncomms15484

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