Mesure de la ‘biréfringence du vide’ à basse énergie c.f. séminaire C. Rizzo Motivations Il y a 20 ans : La ‘biréfringence du vide’ introduite par Euler-Heisenberg dans les années 30, n’est toujours pas mesurée Plan • La ‘biréfringence du vide’ & l’axion à basse énergie • Mesure de la ‘biréfringence du vide’ à basse énergie l’expérience PVLAS • Possibilité de mesurer la ‘biréfringence du vide’ via l’interaction laser-laser Polarisation & biréfringence du vide • Lagrangien Euler-Heisenberg pour l’interaction ‘lumière-lumière’ (1934-1936, puis Schwinger via QED) 1 2 2 2 3 2 2 2 2 2 L E B + E B + 7 E B 2 45 me4c5 – Décrit gréel+gvirtuel gréel+gvirtuel OU gréel+gréel gréel+gréel – Technique ‘classique’ pour trouver la solution (=champ(s) de lumière sortant(s) ) • Calcul des déplacements electrique et magnétique L L Di ; Bi Ei H i • Puis 2 tenseurs diélectrique & magnétique (=matrices 3x3) D E ; B H ‘Le vide est dit biréfringent’ car non réductible à la matrice identité • Puis solution des équations de Maxwell champ(s) sortant(s) Effet de la biréfringence du vide • Propagation d’un laser dans le vide ou règne un champ magnétique intense Solution eq. Maxwell : L Polarisation linéaire Polarisation elliptique Les composantes du champ elm E et à B sont déphasées de DF: DF 2 2 LDnvide , avec Dnvide 1 B 24 2 4.10 ( B[T ]) 30 Bc [Bc=4.4 109 T] But de l’expérience PVLAS : mesurer Dnvide = 1.2 10-22 (avec B= 5.5T) Soit DF=3.6 10-11rad grâce à la cavité Défit technologique (1-nair=3.10-4!) Connexion de la biréfringence avec l’interaction gg ? Dynamique : graphe de Feynman pour : gréel+gvirtuel gréel+gvirtuel On (J. Haissinski !) retrouve la même expression pour Dnvide avec le calcul de la diffusion cohérente gg Le vide est-il biréfringent ou est-ce juste un déphasage induit par l’interaction gg ? Effets identiques pour gréel+gréel gréel+gréel ‘biréfringence du vide’ aussi observable dans l’interaction laser-laser L’axion à basse énergie •Boson pseudoscalaire introduit dans le cadre de la violation de CP dans QCD Un des candidats pour la matière noire •Contraintes accélérateurs/astrophysiques : ma 0.02eV & couplage gag 10-10 GeV-1 Production réelle Production virtuelle Même effet que la biréfringence du vide L’expérience PVLAS Signal : déphasage DF 2 LDnvide Accroître L grâce à une cavité Fabry-Perot de très haute finesse Bobine supra ‘tournante’ (0.6Hz) E B laser Mesure: •Ellipticité •Dichroïsme Miroirs cavité Fabry-Perot •Finesse=140000 •LBobine=4.6m Résultat : mesure d’un dichroïsme (10-12 rad/allé !) a ‘axion like’ signal MAIS incompatible avec les mesures directes de ‘flux d’axions’ provenant du soleil (exp. CAST au CERN) Pas de résultat sur l’ellipticité Dnvide … Signaux parasites : e.g. effets magnéto-optiques de B sur les éléments optiques Expérience ‘sur table’ en cours pour valider/invalider PVLAS : BMV/Toulouse (Champ pulsé) Expérience laser-laser Collisions de 2 lasers pulsés avec Dt1ps, fréquence 100MHz : •Un laser de forte puissance ‘polarise le vide’ •On mesure l’effet de la biréfringence sur un deuxième laser ‘peu’ puissant •Utilisation de cavités Fabry-Perot Mesure: •Ellipticité •Dichroïsme Mesure de Dnvide avec 2 lasers (& 2 cavités) • Avantages – Pas de champ magnétique ! – L’expérience tient sur une table optique – Le signal apparaît à la fréquence des pulses • 100MHz (<1Hz avec le champ B) réduction des bruits • Inconvénients – La puissance du laser qui polarise le vide ! DF 2 LDnvide , avec Dnvide 4 I 30 I c 2 Ic = intensité critique = 4.6 1029 W/cm2 Faisceau laser de forte puissance fortement focalisé dans la cavité Mesures : •Ellipticité •Dichroïsme Limités par le shot noise des photodiodes Des chiffres : 20W, Dt=200fs frep=50MHz 3m R Finesse cavité Durée mesure Dnvide 99.97 104 2.6 ans 99.997 105 2.5h 5mW, Dt=200fs Paramètres ‘tirés’ au maximum et : grande puissance intra-cavité <P>=2MW P/pulse=200GW Problèmes dans les revêtements des miroirs (& dans les substrats…) R1 ~ 20 double couches: Ta2O5(100nm) /SiO2(130nm) Influences de la puissance laser •Effets non-linéaires •Biréfringence statique ~ 10-6rad Dans les multicouches sur la polarisation de laser ? R&D nécessaire (effets thermoélastiquesP. Hello) R&D source e+ polarisés pour l’ILC R&D EUROTEV (6èm pcrd) 2005-2007 Laser : 1W, Dt=1ps 75MHz F=3.104 & 3.105 & réduction taille faisceau laser & contrôle de la polarisation intra-cavité Demande R&D (7èm pcrd) en 2007 Même R&D que pour la mesure de Dnvide On pourrait monter l’expérience… Laser à fibre dopée 100-1000W, Dt1ps frep=50MHz F=3.104 & 3.105 & réduction taille faisceau laser & contrôle de la polarisation intra-cavité Conclusion • PVLAS mesure un signal ‘axion like’ – Signal persistant malgré 4 années d’études systématiques • Rotation (dichroïsme) de 4.10-12 rad … Nouvelle physique ? (boson pseudoscalaire : axion, familon, majoron…) • Pas de résultat sur l’ellipticité, i.e. sur Dnvide – On attend • Les résultats de BMV (exp. sur table Toulouse) & QA (Taiwan) • Expérience de régénération de PVLAS • Actuellement : – Propositions d’expériences • CERN, DESY : toujours avec des champs magnétiques • Rayonnement XFEL+laser PetaWatt à Jena • Le R&D "source d’e+ polarisés pour l’ILC" fait face aux mêmes problèmes qu’une mesure laser-laser de Dnvide – Si le signal PVLAS est confirmé nous pourrions monter une expérience laser-laser dans le futur Pic e+ dans les diffusions d’ions lourds à Darmstadt Explication : l’axion ? Impossible ! Boson pseudoscalaire ? Limites expérimentales Lagrangien de couplage axion-photon 1 Lag g ag F F 4 Expérience photon-photon au LULI (D. Bernard 1998) Mesure à angle : pas de signal … QED non-linéaire