pvlas - INFN

L’esperimento PVLAS:
La polarizzazione del
vuoto
Prof. Guido Zavattini
23 Novembre 2016
“Hands holding the void”
Alberto Giacometti
Classicamente
• L’esperienza quotidiana ci dice che un raggio di
luce non viene diffuso quando incrocia un
secondo raggio di luce.
• Vige il principio di sovrapposizione e
l’elettromagnetismo in assenza di mezzi
materiali è ben descritta dalle Equazioni di
Maxwell in vuoto.
• Risulta che la velocità della luce è c.
2
Tre fatti nuovi
• La famosa relazione di Einstein (1905):
E = mc
2
• Il Principio di Indeterminazione (1927)
E t
~
• Esiste l’antimateria: in particolare il
positrone (anti-elettrone) (1928, 1932)
3
Intuizione
O.Halpern,Phys.Rev.44,pp885,(1934)
Il vuoto fluttua!
Per brevi momenti ‘compaiano’ coppie elettrone-positrone
4
Il “vuoto” che fluttua
Scatola di “vuoto”
Blu = e+
Rosso = e-
• Vuoto ha una sua struttura. • Si può influenzare il “vuoto”?
Scatola di “vuoto” polarizzato
Campo elettrico
• Il “vuoto” è uno stato di
minima energia
• Coppie virtuali fluttuano
dal vuoto quantistico
Vuoto Polarizzato
Vuoto si comporta come un dielettrico: Lamb shift in idrogeno
Argomento: vuoto quantistico
• Vuoto polarizzato - birifrangenza
– Il vuoto polarizzato da un campo esterno si comporta
come un cristallo uniassico.
•
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 ?
Propagazione della luce
Lapropagazione diun fotone nei diagrammi diFeynman
Nessun
campo
esterno
=c
Fotone reale
Fotone ”nudo”
Fluttuazioni delvuoto
_______________________________
 
B, E
 
B, E
Con
campo
esterno
Fotone reale Fotone “nudo”
Fluttuazioni delvuoto Correzioni radiative
• c dipende dalcampoesterno!
• c dipende dalla polarizzazione!
7
Argomento: vuoto quantistico
•
Scopo sperimentale
– Si vuole misurare sia la birifrangenza che il dicroismo
indotti da un campo magnetico esterno
– Possibili contributi a tali proprietà macroscopiche
sono:
Bext
• diffusione fotone-fotone
k
k
Bext
k
• Produzione di:
– cariche frazionarie
– bosoni neutri leggeri
– parafotoni
k
– camaleonti
Bext
φ
– ...
– L’interazione fotone-fotone è stata dedotta
teoricamente ma mai osservata direttamente
φ
k
Bext
Bext
Lagrangiana Euler-Heisenberg
Bext
k
Bext
k
k
Euler, Heisenberg e Weisskopf (1936) hanno incluso
l’interazione con le fluttuazioni del vuoto
LEM
1
=
2µ0
~2
E
c2
~2
B
!
Ae
+
µ0
2 ↵2 ¯3e
Ae =
= 1.32 ⇥ 10
2
45µ0 me c
"
24
~2
E
c2
T
~2
B
!2
+7
~
E
~
·B
c
!2 #
2
La propagazione della luce nel vuoto polarizzato è
ancora descritto dalle Equazioni di Maxwell nei mezzi.
Tali equazioni non sono più lineari.
Birifrangenza
• Condizioni sperimentali:
– Luce linearmente polarizzata si propaga
perpendicolarmente ad un campo magnetico esterno
Magnetic field
Light
beam
nk = 1 +
n? = 1 +
2
7Ae BExt
2
4Ae BExt
• Effetto mai ancora osservato
n
1⇡
2
Ae BExt
v<c
anisotropia
n=
2
3Ae BExt
Ae può essere determinato dalla
misura della birifrangenza
magnetica del vuoto
Δn = 0.000000000000000000000025 @ 2.5 T
Luce inizialmente polarizzata linearmente acquisirà
un’ellitticità per colpa della birifrangenza magnetica del vuoto.
||
a
⇡LE↵
= =
b
b
a
n sin 2#
n ||
||
Eγ
ϑ
n
Tecnica di misura
Apparato: ellissometro di altissima sensibilità per
la misura dell’ellitticità acquisita da un fascio
laser nell’attraversare un campo magnetico
Cavità ottica risonante per l’amplificazione segnale: > 400.000 passaggi
Tecnica eterodina per ottenere sensibilità elevata
Alto campo magnetico e variabile nel tempo (rotazione): 2.5 Tesla
Calibrazione con effetto Cotton-Mouton
Cavità Fabry-Perot
Intensity [V]
1
4
Coefficient values ± one standard deviation
y0
=-1.7967e-05 ± 2.37e-05
A
=1.5177 ± 8.61e-05
tau
=0.0027009 ± 2.73e-07
2
Finesse = 770000
Incoupling = 75%
8
6
0.1
8
6
4
2
0.01
8
6
0
5
10
Time [s]
15x10
-3
• La luce intrappolata fra i due specchi della cavità permette
di aumentare LEff di un fattore ≈ 400.000
• E’ un sistema risonante con larghezza di riga di 60 Hz
• Si utilizzano tecniche di stabilizzazione dei laser per
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mantenere la risonanza
I magneti
Totalfieldintegral=(10.25 0.06) T2m
25
5
20
4
2
5
1
0
0
400
600
Z position [mm]
800
1000
25
5
20
4
3
2
dl = 5.12±0.04 T m
2
5
1
0
0
0
200
400
600
Z position
800
1000
14
2
10
dl [T m]
2
∫B
2
Field strength magnet #2
15
∫B
B [kG]
200
2
10
0
Magnetshavebuiltinmagneticshielding
Strayfieldbelow1Gaussonside
3
2
dl = 5.13±0.04 [T m]
dl [T m]
2
∫B
2
Field strength magnet #1
15
∫B
B [kG]
Halbach
configuration
Trasformata di Fourier
Calibrazione con gas: He
Ampiezza di Fourier
4
2
Fase di Fourier
4
Helium @ 298 microbar
B = 2.5 T
Integration time = 2.7 hours
3
3
2
90
4e-07
-7
10
-19
10
Ellipticity
6
5
4
3
3
2
2
-8
10
-20
10
6
5
4
135
Birefringence
6
5
4
3e-07
45
2e-07
1e-07
180
0
0 1e-072e-073e-074e-07
6
5
4
3
3
2
2
-9
225
315
10
0
1
2
Magnet rotation harmonic
3
4
270
• Campo modulato nel tempo (ruotato) genera un segnale di
ellitticità anch’esso modulato nel tempo.
• L’analisi di Fourier permette di estrarre la birifrangenza indotta
(in questo caso dell’elio)
Apparato completo - Ferrara
BETA
ALPHA
0.9 m
4.8 m
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Stato attuale
Limiti sulla birifrangenza magnetica del vuoto
(PVLAS)
n
= ( 1.5 ± 3.0) ⇥ 10
22
@
B = 2.5
T
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Miglioramenti in corso
• Manca un fattore 15 per raggiungere il
risultato cercato
• Siamo convinti che il problema risiede nel
rumore termico (limite intrinseco) degli
specchi
• Nel 2017 lavoreremo per raffreddare gli
specchi della cavità ed aumentare la velocità
di rotazione dei magneti
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Possibilità di tesi
Tesi su:
- software,
- sistemi di feedback,
- analisi dati,
- ricerca di sistematici,
- modellizzazione
Per informazioni:
[email protected]
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