PVLAS* Guido Zavattini. *Polarizzazione del Vuoto con LASer. Hands holding the void Alberto Giacometti. G. Zavattini - 15 Ottobre Ferrara

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1 PVLAS* Guido Zavattini *Polarizzazione del Vuoto con LASer Hands holding the void Alberto Giacometti

2 Il vuoto fluttua! Il vuoto è uno stato di minima energia Coppie virtuali fluttuano dal vuoto quantistico Ci sono o non ci sono? Si può influenzare il vuoto? Vuoto ha una sua struttura. Blu = +q Rosso = -q Scatola di vuoto Scatola di vuoto polarizzato Vuoto Polarizzato Vuoto si comporta come un dielettrico: Lamb shift in idrogeno Campo elettrico Il vuoto si può polarizzare anche con un campo magnetico. Le coppie e + -e - sono come delle spire di corrente

3 Argomento: vuoto quantistico Tema 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 L elettrodinamica quantistica Altre interazioni, fisica nuova? Scopo sperimentale Proprietà macroscopiche del vuoto possono essere dedotte teoricamente Si vuole misurare la birifrangenza e il dicroismo indotte da un capo magnetico Possibili contributi a tali proprietà macroscopiche sono: diffusione fotone-fotone Produzione di: millicharged particles bosoni neutri leggeri parafotoni chameleon... k φ B ext B ext Bext Bext k k k φ k B ext + diagrams of order higher than α

4 Birifrangenza lineare Quando n n il mezzo si dice birifrangente Un fascio di luce polarizzato linearmente che si propoaga in un mezzo birifrangente acquisisce una ellitticità Ψ L ellitticità è proporzionale al numero di passaggi a b n ψ = a b = πl λ ( n n )sinϑ ϑ E γ n 4

5 Dicroismo lineare Quando un mezzo ha un assorbimento selettivo rispetto alla polarizzazione il mezzo si dice dicroico Un fascio di luce polarizzato linearmente che si propaga attraverso un mezzo dicroico subisce una rotazione ε Tale rotazione è proporzionale al numero di passaggi. ε ε = 1 q sinϑ absorption q E E ϑ E γ no absorption 5

6 Elettrodinamica classica L Class = 1 Equazioni di Maxwell µ 0 ( ) E c B Equazioni costitutive nella materia div D = 0 div B = 0 rot E = B t rot H = D t v = c D = L Class E H = L Class B D = ɛ 0 E B = µ0 H Vale il principio di sovrapposizione

7 Principio di indeterminazione Bext Bext k k k Euler, Heisenberg e Weisskopf hanno incluso l interazione con le fluttuazioni del vuoto L EM = 1 r E µ 0 c B r + A r e E µ 0 c B r r E + 7 c B r A e = α 3 D A e 45µ 0 m e c T - e = α λ 3 ( ) ( ) 4 e 45µ 0 m e c = µ0 e 45(4π) c 3 = T m e

8 Electromagnetic vacuum W Heisenberg and H Euler, Z. Phys. 98, 714 (1936) H Euler, Ann. Phys. 6, 398 (1936) L EM = 1 µ 0 r E c r A e = α D e 45µ 0 m e c 3 B + A e µ 0 r E c r B T - r E + 7 c B r La propagazione della luce nel vuoto polarizzato è ancora descritto dalle Equazioni di Maxwell nella materia. Non sono più lineari. v < c Δn = 3A e B anisotropia A e può essere determinato dalla misura della birifrangenza magnetica del vuoto Δn.1 T Luce inizialmente polarizzata linearmente acquisirà un ellitticità per colpa della birifrangenza magnetica del vuoto.

9 Il vuoto si comporta come un gas p.es. con N : il vuoto è equivalente a mol/cm 3

10 Effetto bosoni neutri B Ext B Ext dicroismo E r E E g pγγ B Ext > m E r E E rotazione apparente ε prima dopo B Ext B Ext birifrangenza E r E E g pγγ m > B Ext g pγγ Retardation of E E r E E ellitticità ψ prima dopo

11 Legnaro ellipsometer Parametri rilevanti magnete permanente dipolo,.3 T, L = 0.4 m rotation frequency ~5 Hz laser 1064 nm, 00 mw, agganciato alla cavità Fabry-Perot optical cavity Lunghezza 1. m, passaggi ~60000, cammino ottico nel campo ~105 km tecnica eterodina modulatore ellitticità (Mod) e polarizzatori in estinsione effetto modulato nel tempo rivelazione fotodiode basso rumore DAQ segnale demodulato a bassa frequenza Fast DAQ Computer lock-in amp DAQ Computer Diode amp oscillator Trig. Frequency-locked Nd:YAG laser detection photodiode analyser Elliptic and rotated polar. ellipticity modulator rotation modulator Elliptic polar. FP cavity mirror magnet FP cavity mirror Linear polar. polariser beam splitter Feedback photodiode B field turntable

12 Apparato di Ferrara Montaggi motorizzati da vuoto Magneti permanenti da.4 T Doppio stadio di isolamento sismico Progetto

13 Magneti permanenti 5 0 Campo magnetico [kgauss] B cinesi B corretto cm

14 Laboratorio 19

15 Alta finesse: Potenza in uscita = 35 mw pari al 35% della potenza entrante Luce riflessa scende del 85% 6 Ampiezza [V] Coefficient values ± one standard deviation Amp = ± Finesse = e+05 ± 4.85e+03 Tau = 730 µs Tempo [µs]

16 rticles ω is the arephoton Dirac energy fermions (Df). As derived ] by [38] the ices. Theof above refraction expressions of photons with [(7) polarization respecely z units parallel whereby and perpendicular 1 T = = to the external magnetic [ ] Millicharged, (4) for χ 1 particles d have two different mass regimes 9 45 π 1/ 1/3 (Γ( 3)) defined by a dimennless parameter 6 ev 1 7 = χ. The Γ( 1 6) 4/3 (3), () for χ 1 Vedi per esempio G. Zavattini, E. Calloni, EPJC 60(009) χ (S.I. units): dex of refraction n by χ 3 and hω ɛeb ext h ) D (0) A ɛ = m ɛ c m (4) ɛ 4 α λ 3 ɛ ɛ c 45µ 0 m ɛ c (7) can be shown that [31,39] d h ] 10 [(7) -5, (4) Frazione carica q/e Per χ >> 1 Fermioni χ = 1 Limiti ottenibili con PVLAS misurando la QED Limiti attuali con PVLAS Massa [ev] n Df, = 1 + IDf, (χ)a ɛbext (5) I Df, π 1/ 1/3 (Γ( 3)) Γ( 1 6) (χ) = -3 (6) 10-4 Frazione carica q/e [ ] χ 4/3 (3), () n spin-0 = -6/4 A ε B n fermione = 3 A ε B for χ for χ A ɛ = ɛ 4 α λ 3 ɛ 45µ 0 m ɛ c (7) Scalare χ = 1 Limiti ottenibili con PVLAS misurando la QED Limiti attuali con PVLAS Massa [ev]

17 Diffusione luce-luce Δn = 3A e B 0 n < nm Δn < nm A e < T - Phys.Rev. D 78, 03006(008). σ γγ < nm σ γγ < nm

18 Futuro: metri di magnete