La polarizzazione del vuoto

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1 La polarizzazione del vuoto Prof. Guido Zavattini 05 Dicembre 2012 Hands holding the void Alberto Giacometti

2 Classicamente In vuoto (assenza di cariche e correnti) sappiamo che classicamente D = 0 E H = B/µ 0 Si possono derivare dalla densità di Lagrangiana classica in vuoto usando le equazioni costitutive D = L Cl E H = L Cl B L Cl = 0 E 2 2 B2 2µ 0

3 Classicamente Le equazioni di Maxwell nei mezzi, applicate al vuoto div D = 0; rot E = B t div B = 0; rot H = D t D =0E V = C div E = 0; div B = 0; rot E = B t rot B = 0 µ 0 E t H = B/µ 0 Vale il principio di sovrapposizione 3

4 Studio sperimentale del vuoto : PVLAS Con la meccanica quantistica Vale il principio di sovrapposizione? Valgono le Equazioni di Maxwell in vuoto? Due fotoni possono urtarsi? Può essere il vuoto a mediare l interazione?

5 Principio di Indeterminazione ΔE Δt Massa - Energia E = mc 2

6 Il vuoto fluttua! Il vuoto è uno stato di minima energia Coppie virtuali fluttuano dal vuoto quantistico Si può influenzare il vuoto? Vuoto ha una sua struttura. Blu = +e Rosso = -e Scatola di vuoto Scatola di vuoto polarizzato Vuoto Polarizzato Campo elettrico Vuoto si comporta come un dielettrico

7 Argomento: vuoto quantistico Tema Il vuoto è uno stato fisico e può essere trattato come mezzo materiale. Si perturba il vuoto con un campo esterno Tramite un fascio di luce polarizzato viene sondato il vuoto perturbato Dai risultati si cerca di estrarre informazioni sulla struttura del vuoto in base a modelli L elettrodinamica quantistica Altre interazioni, fisica nuova?

8 Argomento: vuoto quantistico Scopo sperimentale Si vuole misurare la birifrangenza e il dicroismo indotte da un campo magnetico Possibili contributi a tali proprietà macroscopiche sono: diffusione fotone-fotone Esistenza di: millicharged particles bosoni neutri leggeri parafotoni chameleon... Proprietà macroscopiche del vuoto possono essere dedotte teoricamente B ext φ B ext Bext Bext B ext φ

9 Lagrangiana Euler-Heisenberg Bext Bext Euler, Heisenberg e Weissopf (1936) hanno incluso l interazione con le fluttuazioni del vuoto L EM = 1 2µ 0 E 2 c 2 A e = 2 α 2 e 45µ 0 m e c 2 3 B 2 + A e µ 0 E 2 c 2 B T -2 2 E + 7 c B 2 La propagazione della luce nel vuoto polarizzato è ancora descritto dalle Equazioni di Maxwell nei mezzi. Non sono più lineari.

10 Euler-Heisenberg Lagrangian Applicando le equazioni costitutive D = 0 E + 0 A e 4 H = B µ 0 + A e µ 0 4 E 2 E 2 c 2 c 2 B2 B2 E + 14 B 14 E B B E B c 2 E Il vuoto si comporta come mezzo non lineare

11 Indice di rifrazione e birifrangenza Condizioni sperimentali: Luce che si propaga perpendicolarmente ad un campo magnetico esterno n =1+7A e B 2 Ext n =1+4A e B 2 Ext Effetto mai ancora osservato

12 Luce inizialmente polarizzata linearmente acquisirà un ellitticità per colpa della birifrangenza magnetica del vuoto. ψ = a b = πl λ ( n n )sin2ϑ n a b ϑ E γ n v < c anisotropia A e può essere determinato dalla misura della birifrangenza magnetica del vuoto n - 1 A e B 2 Δn = 3A e B 2 Δn = 2.5 T

13 Tecnica di misura Apparato: sensibile ellissometro per la misura dell ellitticità acquisita da un fascio laser nell attraversare un campo magnetico Cavità ottica risonante per l amplificazione segnale: > passaggi Tecnica eterodina per ottenere sensibilità elevata Alto campo magnetico e variabile nel tempo (rotazione): 2.5 Tesla Calibrazione con effetto Cotton-Mouton

14 Apparato test nel lab. 219 Migliore limite sulla birifrangenza magnetica del vuoto n < % c.l. A e A (EH) e < T 95% c.l. < T 2

15 Nuovo apparato in costruzione Tesi su: - software, - sistemi di feedbac, - analisi dati, - ricerca di sistematici, - calibrazione