Misure di polarizzazione e prospettive future: PVLAS Phase II

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1 Misure di polarizzazione e prospettive future: PVLAS Phase II Probing Quantum Vacuum and WISP Physics G. Cantatore, M. Karuza, V. Lozza, G. Raiteri Università e INFN Trieste R. Cimino INFN LNF Frascati 1

2 Temi Tecnica sperimentale di base misurare piccole (1 parte in o meglio) variazioni nello stato B ext di polarizzazione di un fascio di k luce visibile 2n+1 interactions with external field B ext Quali aspetti di fisica si possono affrontare? k 1 k k 2 Photon splitting effetti di QED a bassa energia 1 WISPs (Weakly Interacting Sub-eV! MCP! MCP! Particles) MCP... ( v. alps-wiki.desy.de) 2

3 Misure di polarizzazione Idea originale: Iacopini e Zavattini al CERN (1979) Esperimento precursore BFRT (Brookhaven, Fermilab, Rochester, Trieste) In dirittura PVLAS (INFN Italy), Q&A (Taiwan) Prossima accensione BMV (Toulouse) -> nearly completed OSQAR (CERN) -> development stage Nuova proposta PVLAS Phase II 3

12 Caratteristiche comuni Il fascio di fotoni sonda una regione di campo magnetico in vuoto bassa energia (1-2 ev) basso flusso (1 W in continua -> ph/s) Effetto variabile nel tempo Amplificazione del cammino ottico Problema principale: il fondo di rumore 4

13 Come procedere? Il discusso segnale di PVLAS è sparito L attenzione si deve ora spostare sul fondo di rumore che limita la sensibilità La sensibilità di PVLAS in ellitticità o rotazione non è mai scesa sotto / Hz troppo grande!!! -> la rivelazione della ellitticità di dovuta alla QED impiegherebbe s (circa 80 anni continuativi di misura -> troppi anche per chi aspetta solo la pensione!) Il sospetto principale per la barriera di rumore è la torre di granito che sostiene l ottica di PVLAS 5

14 Phase I: missione impossibile... L ottica (la struttura) è stata costruita intorno al grande criostato, non viceversa I movimenti della torre si trasmettono direttamente agli elementi ottici (specialmente agli specchi) impossibile da controllare a meno di smantellarla e ricostruirla da zero i movimenti del fascio sulle superfici ottiche causano rumore in birifrangenza la birifrangenza indotta da movimenti è stata misurata sugli specchi = 0.4 1/m una sensibilità di / Hz significa che gli spostamenti relativi tra i banchi ottici inferiore e superiore devono essere < m/ Hz E molto difficile controllare il rumore termico ed acustico Non c è una ragione di principio per tenersi una torre di grandi dimensioni 6

15 Phase II: apparato table-top Ellissometro table-top laser Nd:YAG (1064 nm, 532 nm) magnete permanente rotante, 2.3 T, 50 cm Fabry-Perot con F = Detector A Mod M2 Magnet M 1 P Laser PD2 OI Lens steering mirrors 7

16 Soluzioni iniziali per PVLAS Phase II Compattare l apparato a dimensioni table-top e montare tutto su di un singolo banco ottico Predisporre accuratamente fin dall inizio tutti i metodi passivi di riduzione del rumore Schermaggi ambientali supporti ottiche -> rigidi, compatibili con il vuoto, controllabili a distanza sistema da vuoto ben caratterizzato riduzione del numero di componenti con l uso del nuovo modulatore (prototipo già testato) Magnete permanente rotante 8

25 Bilancio dei rumori attesi 9

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34 Sensibilità minime per la misura di QED 11

39 Esperimento idealizzato di diffusione fotone-fotone con una sorgente di fotoni ad alta energia! MCP! Detector B ext Polarizer k circular polarization B rejected photons Magnet QWP equivalent Photon source 12

42 PVLAS Phase II - Conclusioni Il vecchio segnale PVLAS è sparito: la vera sfida è ora il rumore L apparato PVLAS a Legnaro ha insegnato molte cose, ma è ora limitato dalle dimensioni, dai campi di fuga, dal costo di operazione e dal duty cycle Proposta: ricompattare lo strumento a dimensioni da tavolo e puntare in tempi brevi (2 anni max) ad una sensibilità di almeno / Hz migliore controllo globale delle sorgenti di rumore Fabry-Perot con finesse ~ magneti permanenti -> elevato duty cycle, assenza di campi di fuga Gli effetti QED (e forse di WISPs) sono rivelabili con lo strumento proposto in tempi di misura ragionevoli se si raggiunge la sensibilità di progetto Piani futuri -> passare a sorgenti di fotoni più energetiche (tipo FEL), studiare la rigenerazione risonante di ALPs G. Cantatore - PVLAS Phase II - CdS Trieste 8/7/