information

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 Dt1ps, 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…)
R1
~ 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 thermoélastiquesP. 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, Dt1ps
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