Collaborazione PVLAS. Trieste. Pisa G. Cantatore. S. Carusotto F. Della Valle. E. Polacco M. Karuza E. Milotti (Udine) Ferrara E.
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1 PVLAS L elemento vuoto : proprietà ottiche e studio sperimentale G. Cantatore - C.d.S. - Trieste 1/7/ Collaborazione PVLAS Trieste Pisa G. Cantatore S. Carusotto F. Della Valle E. Polacco M. Karuza E. Milotti (Udine) Ferrara E. Zavattini G. di Domenico G. Zavattini LNL U. Gastaldi G. Ruoso LNF R. Cimino
2 G. Cantatore - C.d.S. - Trieste 1/7/ Sommario Lo studio sperimentale del vuoto quantistico PVLAS: attività e risultati 2003 L.N.L. Trieste Programma 2004
3 Polarizzazione del Vuoto con Laser Lo studio sperimentale del vuoto quantistico G. Cantatore - C.d.S. - Trieste 1/7/
4 G. Cantatore - C.d.S. - Trieste 1/7/ Tema dell esperimento Misura della polarizzabilità del vuoto visto come vero e proprio mezzo materiale (un gas ) contributi a queste proprietà QED QCD (anomalia triangolare)... Il vuoto come bersaglio (photon-photon collider) produzione di stati del vuoto finora non osservati materia oscura... k B ext + diagrammi di ordine superiore ad a 2
5 G. Cantatore - C.d.S. - Trieste 1/7/ Introduzione a PVLAS Principio operativo di PVLAS Perturbare il vuoto quantistico con un campo magnetico e misurarne le proprietà a mezzo di un fascio laser polarizzato usato come sonda Fisica accessibile a PVLAS Il vuoto come mezzo birifrangente diffusione fotonefotone e QED (QCD) Diagrammi principali k B ext Effetto fisico B ext E g Y E' g Particelle leggere, neutre interagenti con due fotoni (candidati per la materia oscura) k B ext k f B ext B ext f B ext E II E Ellitticità B ext E g E II Dicroismo e E Eg E' g
6 G. Cantatore - C.d.S. - Trieste 1/7/ Sfide sperimentali Campo magnetico più intenso possibile Cammino ottico più lungo possibile Estrazione di piccoli segnali dal fondo di rumore
7 G. Cantatore - C.d.S. - Trieste 1/7/ Risposte: principali tecnologie PVLAS Magnete dipolare superconduttore con criostato rotante Cavità risonante di Fabry Perot ad alta finesse Rivelazione in eterodina
8 Schema di principio G. Cantatore - C.d.S. - Trieste 1/7/
9 G. Cantatore - C.d.S. - Trieste 1/7/ Schema del criostato rotante Caratteristiche del magnete Diametro del traferro 10 cm Lunghezza del campo 1.0 m Lunghezza totale 1.3 m Corrente a 8 T 3.8 ka Campo massimo 8.8 T Uniformità del campo ±2.5 % Densità di corrente 105 A/mm 2 Energia immagazzinata 1.5 MJ Temperatura di funz. 1.8 K Conduttori di Cu-Nb-Ti
10 G. Cantatore - C.d.S. - Trieste 1/7/ Simulazione "TOSCA" Calibrazione con sonda Hall 8.00 Campo trasverso nel traferro [T] A, 3.2 T 2700 A, 6.6 T Corrente (A)
11 B cala del 2% in 800 s, per cui la vita media risulta di ~11 h G. Cantatore - C.d.S. - Trieste 1/7/
12 Caratterizzazione del Fabry-Perot lunghezza = 6.4 m FSR = 24 MHz largh. di riga = 185 Hz tempo di dec. = 860 µs Transmitted intensity Input light switched off Finesse = Q = 1.6x10 12 Transmitted intensity (A.U.) DSO trigger Decay time constant (from exponential fit) t = 860 ms Time (µs) cavità nel modo TEM00 G. Cantatore - C.d.S. - Trieste 1/7/
13 Metodo di rivelazione Una coppia di polarizzatori incrociati (P, A) rivela le variazioni nello stato di polarizzazione Un Fabry-Perot di finesse ~10 5 (specchi M 1 and M 2 ) aumenta il cammino ottico Un campo magnetico trasverso (~ 6 T) è generato da un dipolo superconduttore Si può inserire un lamina quarto d onda (QWP) per misurare eventuali rotazioni I segnali vengono estratti usando la tecnica eterodina l interazione è modulata dalla rotazione del magnete (la rotazione stessa dà la sincronizzazione necessaria per misurare le fasi) la portante in ellitticità è introdotta usando un apposito modulatore sviluppato in casa (SOM) L intensità luminosa trasmessa attraverso l analizzatore A è rivelata con un fotodiodo e analizzata in frequenza: lo spettro risultante contiene l informazione fisica G. Cantatore - C.d.S. - Trieste 1/7/
14 PVLAS Attività a L.N.L. Cantatore - C.d.S. - Trieste 1/7/
15 Sala sperimentale a LNL - I G. Cantatore - C.d.S. - Trieste 1/7/
16 Sala sperimentale a LNL - II G. Cantatore - C.d.S. - Trieste 1/7/
17 Counting room G. Cantatore - C.d.S. - Trieste 1/7/
18 Run di misura eseguiti Mar Mag Ott Nov Dic Lug Nov Dic Mag Lug Nov Dic Mag Commissioning s s s s s s s s 1300 s s s s Tempo totale di presa dati 76.2 h G. Cantatore - C.d.S. - Trieste 1/7/
19 Ciclo criogenico in un run di misura Raffreddamento da 300 K a 77 K con N 2 liquido (1 settimana) Raffreddamento da 77 K a 4 K con He liquido e primo riempimento criostato (4 giorni) Inizio cicli di misura energizzazione magnete 2-4 h di presa dati (perdite totali misurate ~ 28 W) scarica magnete 8 h per rabbocco livello He liquido Con circa litri di He liquido si accumulano 15 h di presa dati in ~15 giorni di run G. Cantatore - C.d.S. - Trieste 1/7/
20 Spettro di Fourier della fotocorrente G. Cantatore - C.d.S. - Trieste 1/7/
21 G. Cantatore - C.d.S. - Trieste 1/7/ Spettro con regione di interazione in vuoto Spettro demodulato della fotocorrente ottenuto nelle condizioni seguenti vuoto pneumatico ~10-7 mbar intensità di campo ~6 T spettro in ellitticità (senza lamina quarto d onda) frequenza di rotazione del magnete w M = 0.33 Hz tempo di misura ~1900 s Si nota un segnale alla frequenza 2wM ampiezza picco ~10-7 rad fondo vicino al segnale ~10-9 rad picco del segnale
22 segnale + G. Cantatore - C.d.S. - Trieste 1/7/
23 Calibrazione con gas (ampiezza e fase) G. Cantatore - C.d.S. - Trieste 1/7/
24 G. Cantatore - C.d.S. - Trieste 1/7/ Caratteristiche del segnale individuate fin qui 1. Andamento con B sparisce con B = 0, segue B2 (?) 2. Finesse proporzionale (bassa statistica) 3. Frequenza di rotazione del magnete non dipende 4. Rotazione della polarizzazione segue 5. N2 a bassa pressione si somma con il segno
25 Ampiezza del segnale in funzione del campo magnetico G. Cantatore - C.d.S. - Trieste 1/7/
26 G. Cantatore - C.d.S. - Trieste 1/7/ Azoto a bassa pressione Signal Peak Amplitude [A.U.] Nitrogen Pressure [microbar]
27 G. Cantatore - C.d.S. - Trieste 1/7/ Possibili candidati Effetto Cotton-Mouton del gas residuo Birifrangenza indotta sugli specchi dal campo Pick-up elettromagnetico Diffusione da superficie magnetizzata del criostato Elitticità spuria introdotta dal modulatore Birifrangenza indotta da eventuali movimenti del fascio Birifrangenza non identificata Birifrangenza magnetica del vuoto escluso da misure sul vuoto pneumatico effetto C.-M. dovuto a campo di fuga trascurabile (misurato recentemente a Trieste) escluso esclusa da misure con filtro spaziale possibile piccolo contributo (analisi in corso) NON esclusa (però incompatibile con indipendenza da ω M ) NON esclusa NON esclusa Birifrangenza dovuta a produzione di particelle NON esclusa
28 G. Cantatore - C.d.S. - Trieste 1/7/ Speculazioni... k f Inverso della costante di accoppiamento a due fotoni zona esclusa fondo B ext f B ext B ext masse permesse k segnale curva permessa
29 G. Cantatore - C.d.S. - Trieste 1/7/ Armi a disposizione misura delle fasi dei segnali e confronto con le fasi dei gas di calibrazione studio dello spettro della fotocorrente con lamina quarto d onda inserita (due orientazioni) cavità Fabry Perot rimossa studio dei movimenti fascio e/o apparato con PSD ANALISI RUN MAGGIO 2003 IN CORSO
30 G. Cantatore - C.d.S. - Trieste 1/7/ Programma 2004 a LNL Installazione nuovo sistema di pompaggio da vuoto Installazione laser e ottica a frequenza doppia (532 nm) Progettazione e realizzazione nuova struttura amagnetica di accesso all apparato Presa dati nelle nuove condizioni
31 . Cantatore - C.d.S. - Trieste 1/7/ PVLAS Attività a Trieste Laboratorio di ottica in Area test facility per componenti ottici test sistemi di aggancio con Fabry-Perot di prova test nuove sorgenti apparato completo in scala ridotta con magnete permanente da 1.1 T Attività misure di rumore e test di aggancio con laser verde misure di effetto Cotton-Mouton su specchi
32 G. Cantatore - C.d.S. - Trieste 1/7/ Laser duplicato in frequenza - Laser a stato solido basato su un cristallo di Nd:YAG (emissione laser a 1064 nm); la radiazione infrarossa viene poi duplicata in frequenza a mezzo di un cristallo non lineare per ottenere una emissione nel visibile (532 nm) - Modello Prometheus della Innolight GmbH di Hannover - potenza in uscita 100 mw a 532 nm - possibilità di modulazione in frequenza con 100 khz di banda - possibilità di modulazione in ampiezza - possibilità di utilizzare contemporaneamente il fascio IR (~1 W)
33 Prove eseguite sul laser verde - Modello provato: laser Prometheus, potenza in uscita 30 mw a 532 nm - Prove eseguite: Conclusioni Laser senza risuonatore potenza in uscita misurata: 26.6 mw diametro minimo del fascio: 1 mm Residual Intensity Noise (RIN = rapporto tra la densità spettrale di rumore in ampiezza ad una certa frequenza e l intensità emessa in continua) a 1 Hz = 2x10-5 1/ Hz Laser in ingresso a cavità di Fabry-Perot lunga 0.87 m con finesse = 1300 aggancio in frequenza ottenuto per parecchi minuti densità spettrale del rumore misurato nello spostamento in frequenza tra laser e cavità = 10 mhz/ Hz RIN misurato ad 1 Hz = 3.5x10-3 1/ Hz Laser in ingresso a cavità di Fabry-Perot lunga 0.87 m con finesse = aggancio in frequenza ottenuto Misure sul fascio primario a 1064 nm RIN a 1 Hz = 3x10-6 1/ Hz Rumori in ampiezza nel verde e nell infrarosso confrontabili o inferiori con quelli del laser a 1064 nm attualmente in uso nell apparato di PVLAS Successo nelle prove di aggancio in frequenza a cavità ottiche risonanti di Fabry- Perot G. Cantatore - C.d.S. - Trieste 1/7/
34 Aggancio con laser verde G. Cantatore - C.d.S. - Trieste 1/7/
35 G. Cantatore - C.d.S. - Trieste 1/7/ Spin-off misure con laser verde Interesse della comunità di fisici delle macchine acceleratrici per il laser-assisted H stripping da usarsi per l iniezione di proton drivers L utilizzo di Fabry-Perot aumenta l efficienza dello stripping (532 nm è una buona lunghezza d onda) I risultati ottenuti a Trieste sono stati presentati all ICFA 2002 (Fermilab) e ci sono contatti con gruppi interessati in Giappone
36 G. Cantatore - C.d.S. - Trieste 1/7/ Programma Trieste studio effetto campi magnetici sul laser realizzazione nuova struttura di supporto per magnete permanente misure di birifrangenza in vuoto con apparato in scala ridotta prova nuovi schemi di rivelazione della birifrangenza magnetica del vuoto
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