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Et si le vide était plein? M. Urban, F. Couchot et X. Sarazin LAL Orsay LLR. 19 Mars 2012.

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1 Et si le vide était plein? M. Urban, F. Couchot et X. Sarazin LAL Orsay LLR. 19 Mars 2012

2 Une manip simple P V Gaz dont on varie la pression P V 0 P C 0 Quand y en na plus…y en a encore! C ?

3 le vide? Plein de particules éphémères

4 Propriétés du vide sous stress électromagnétique 1- Le vide soumis à un stress magnétique => calcul de 0 2- Le vide soumis à un stress électrique => calcul de 0 Sous le joug des fermions chargés éphémères Action du vide sans stress (plus exactement le vide de chez nous) 3- Désexcitation spontanée des atomes excités photons éphémères de basse énergie 4- durée de vie du neutron abandonné, seul, dans le vide W éphémères (oui!... le vide est agressif) 5- pression de Casimir photons éphémères de basse énergie Propagation de particules éternelles dans le vide 6- Le photon =>calcul de, fluctuation des temps de transit fermions chargés éphémères 7- lélectron => zitterbewegung? fermions chargés et photons éphémères 8- K 0 => violation de CP? Dissymétrie des fermions chargés éphémères Quelques phénomènes où le vide est un acteur important et parfois… essentiel!

5 Propriétés du vide sous stress électromagnétique

6 Le vide sous stress magnétique… 0 idées de F. Couchot B = Champ extérieur Cette paire a une énergie de couplage plus grande avec B =>elle va vivre moins longtemps Cette paire a une énergie plus petite elle va vivre plus longtemps Les paires apparaissent avec des moments répartis uniformément en angle solide Spin total = 0 => = 2 B Temps de vie inversement proportionnels à lénergie La différence des temps de vie conduit à une magnétisation du vide

7 I B B = 0 nI + 0 M M = magnetization of the matter If matter is removed: B = 0 nI 0 Moment magnétique de la paire éphémère Lénergie de la paire, à la naissance, est W i = K W 2m i c 2 cette énergie est modifiée par le couplage à B. Sa durée de vie: dépend de son orientation par rapport à B La moyenne sur donne le moment induit moyen par paire Le vide sous stress magnétique… 0

8 La densité numérique (donnée par le principe dexclusion de Pauli) de paires de type i est Ni Le moment magnétique induit par unité de volume est donc Il faut sommer sur toutes les familles de fermions Le vide sous stress magnétique… 0

9 La seule inconnue est la densité des paires et cela est donné par lénergie moyenne. Cest le facteur K W. Pour obtenir 0 = nous devons avoir Ce qui implique K W = 32 Les paires ont une énergie moyenne qui est 32 fois leur énergie au repos (2mc 2 ) et B lim T (étoiles à neutron = 10 8 T, magnétars = T) Le vide sous stress magnétique… 0

10 Le vide sous stress électrique… 0 Idées de F. Couchot Cest le même raisonnement que pour les moments magnétiques. La différence est quen plus de la densité des paires N i, les dipôles électriques d i, de ces paires, napparaissent que sil y a une distance entre les éléments de la paire. On trouve 9pF/m en prenant K W =32, comme pour 0, et K d =1. E lim = V/m Les paires ont donc la longueur Compton comme dimension.

11 Remarques 1- indépendamment de K W et du nombre de familles de fermions (on retrouve cette relation de Maxwell avec un modèle purement corpusculaire) 2- Dans un monde où l'on ose faire varier c, en gardant, et e comme constantes fondamentales, 0 et 0 varient en 1/c, et l'impédance du vide reste constante. 3- Les photons se propageant dans un Univers où c varie ne rencontrent pas de rupture dimpédance. Le coefficient de réflexion est donc nul…fort heureusement!

12 Action du vide sans stress

13 Emission spontanée Spontaneous decaywith We haveWhen 2P => 1S We can rewrite it as is the flux per m 2 and per seconde of ephemeral photons falling upon the excited atom. is the number of these photons per m 3 and is the cross section for the stimulation to happen. On adopte cette densité pour notre traitement de leffet Casimir Nous obtenons la densité de photons éphémères mais seulement jusquà des énergies de quelques dizaines deV. Lémission spontanée = émission stimulée par des photons éphémères du vide.

14 Durée de vie du neutron Spontaneous decay of neutron can be seen as… neutron proton Stimulated emission of a W - 1- SI la densité du vide varie dans le potentiel gravitationnel la durée de vie du neutron devrait varier tout au long de lannée de quelques => spatial probe towards the Sun 2- La durée de vie des neutrons devait être plus petite au moment de la nucleosynthèse car le vide devait être plus dense. Ephemeral W - from vacuum

15 Effet Casimir A B C IVIIIIII P1P2 1- P1 absorbs the ephemeral photon coming from A => region I does not act upon P2 2- regions II and III cancel each other => null result on P2 3- region IV, only, acts upon P2 suppose the density of ephemeral photons is: The pressure we get is To be compared to 1- Our starting hypotheses on ephemeral photons are not bad! Especially when we know that experiments seem to favor a slightly higher pressure than predicted by Casimir 2- Maxwell predicts that the vacuum pressure in a sphere tends to make it explode. Our prediction is exactly the opposite. + their life time to be: Regardons ce qui tombe sur P 2

16 - Les densités de photons éphémères sont les mêmes pour expliquer le spontaneous decay et Casimir. - Ces densités sont plusieurs ordres de grandeur plus fortes que dans la physique du solide. - On ne sait rien de ces densités à des énergies supérieures à quelques dizaines deV…Sauf que K W =30!

17 Propagation de particules éternelles dans le vide

18 Un peu de QED A B e+e- Photon #1 Si AB = 1 m => < N = 2 N = 4 Vitesse quasi nulle pendant. Fluctuations du temps de transit: Photon #2

19 Propagation des photons éternels… et c f f i = durée de vie de la paire de type i N i = Densité des paires de type i i = section efficace de capture Le libre parcours moyen est 1/( i N i ) Le nombre moyen de stops sur une distance L est N stop = NL Chaque stop dure i donc le temps darrêt moyen total est Nous en déduisons la vitesse moyenne des photons En prenant les valeurs de et N obtenues pour 0 et 0 nous devons prendre, pour trouver m/s, une section efficace assez grande qui est :

20 - Les fluctuations du nombre de stops entrainent des fluctuations du temps de transit sur une distance L. - Les électrons éphémères étant les moins nombreux ils dominent le phénomène Avec K W ~32, nous prédisons 0 50 as.m -1/2

21 Quelques expériences pour soumettre à la question ces idées

22 => Deux expériences pour un test direct FLOWER et LIGHTSABER => Une expérience dans la matière: SLIM

23 Le projet FLOWER F luctuations of the L ight vel O city W hat E ver the R eason François Couchot, Xavier Sarazin, Marcel Urban LAL Orsay Il sagit de voir si cest vrai que la vitesse des photons peut fluctuer. On sintéresse donc à c si tant est quil soit différent de zéro.

24 Distances sur Terre Contraintes astrophysiques sur les fluctuations de c (publication prévue de X. Sarazin) GRB pulsars Distances en pc FWHM en secondes À cause de la racine de la distance on peut, sur Terre, surpasser les pulsars Femtoseconde techniques 100 fpc = 3 km

25 Le principe de FLOWER Primary pulse COLA (LOMA) Ti:Sapphire Pulsed Laser 10 nJ / pulse t 0 (rms) ~ 30 fs (rms) ~ 33 nm Motor stage Diode Non linear crystal Intensity Autocorrelation R C = 1.8 m Concave Mirror M2 Planar Mirror M1 M The length of the cavity can be modified The number of round trips can be modified Input/output Hole

26 Tests préliminaires au LOMA de Bordeaux Gold metallic concave mirror Ultra high quality = 15 cm Dedicated high quality mirror with a hole Here an example with 38 round trips (End of February 2012) Collaborateurs à Bordeaux: Jérome Degert, Eric Freysz, Jean Oberlé, Marc Tondusson

27 Si le pulsar du Crab voit déjà les fluctuations du vide Vide primaire Pas de SLIM et pas de c SLIM et c

28 Flower en 2012 Herriot cell L cell ~1.63 m reach L vacuum = 120 m with 38 round trips rms of COLA laser pulses ~ 30 fs Accuracy autocorrelation measurement ~ 2 fs ( rms) Expected sensitivity to vacuum fluctuations: 0 ~ 0.7 fs.m 1/2 Like GRBs Super-Flower (2013?) Herriot cell Lcell ~ 50 m reach L vacuum = 5 km with 50 round trips Width (rms) of initial laser pulses 2 fs Improved accuracy of autocorrelation meas. ~ 0.5 fs (0.15 m step) 0 ~ 0.02 fs.m -1/2. Our prediction: 0.05 fs.m -1/2.

29 The lightsaber project

30 Un faisceau intense de lumière polarisée peut saturer le vide. Les fermions ayant absorbés un photon dhélicité +1 ne peuvent pas absorber un second photon de même hélicité. Ces deuxièmes photons ne vont pas être stoppés ils vont donc aller plus vite. Leur vitesse de photons va dépasser c quand ils passeront dans un faisceau intense de lumière polarisée circulairement. Cest le contraire de leffet Kerr AC.

31 Photon qui arrive après les autres Les derniers seront les premiers

32 Effet SHADOK (On pompe le vide) Impulsion polarisée circulairement +1 Lorsquun photon est absorbé par un electron le spin de lelectron passe de -1/2 à +1/2 Un autre photon +1 ne peut plus être absorbé par cet électron = W/cm 2 => c/c = Mercury Livermore (LLNL) 15 J & 15 fs

33 lightsaber Faisceau sonde Hélicité +1 et -1 Faisceau extrême hélicité +1 Séparation angulaire des deux hélicités Avec le laser Livermore This guy should literally bounce back from the intense red beam

34 Notre vision de la propagation des photons dans la matière: section efficace de capture + durée darrêt inversement proportionnelle à lemprunt dénergie + vitesse c entre deux stops => Nombre fini de stops, donc fluctuations, donc vitesse de la lumière fluctue dans la matière Questions 1- Pourquoi la lumière va-t-elle moins vite dans la matière? 3- Quelle est lépaisseur dinterface 1Å ou 1 ? 2- Comment peut-on définir et comprendre un indice dans un gaz très dilué, lorsque le gaz est tel quil y a bien moins de 1 molécule par 3 ? Le projet SLIM S tatistical fluctuation of l ight I nteracting with M atter

35 Section efficace 1keV10eV cm 2 = 1 Å 2 Lindice de réfraction donne la somme des stops: geometrique = 13 Å 2 Taille cellule SiO 2 = 3.6Å Nombre de molécules par unité de volume: Nombre moyen de stops sur L: Fluctuation temporelle: Dans cette formule seule la section efficace photon_molécule:, est inconnue. Si elle est énorme nous naurons pas de fluctuations et au contraire si elle est faible les fluctuations seront très importantes. Avec une section efficace géométrique nous aboutissons à : 20fs pour 1m et cest bien la limite que nous avons pu déterminer grâce à nos mesures sur le verre à Bordeaux. Nombre de molécules sur une longueur L: Les SLIMS dans le quartz

36 = 2 fs

37 Où nous voyons quil est impossible de savoir sil y a des slims sans aller vers des longueurs supérieures à 2m Nos mesures sur le verre à Bordeaux Longueur de quartz en m Rms fluctuations en fs

38 setup actuel: 0.2m de verre et de 1 à 9 passages Ce quil faudrait pour voir les slims dans le verre? environ 2m de verre et 9 passages avec un faisceau de 90 fs rms Il nous manque donc un facteur 10 par rapport au set up de Bordeaux

39 Le projet SLIM 1- voir les slims dans le verre (2012) => 2m de quartz, 9 passages et une impulsion lumineuse à 1290 nm, 90 fs rms 2- voir les slims dans lair => Plusieurs km dair depuis 1 Atm jusquà Atm et une impulsion lumineuse à 800 nm, 30 fs rms

40 Conclusions - Le vide est un sujet détude. Il est admis quil est discontinu pour des distances de Planck. (E Planck = eV) J. Ellis et al., Phys. Lett. B 665, 412 (2008) - Nous suggérons quil le soit à des énergies bien plus faibles. - Quelques bonnes lectures G. Leuchs et al. Appl. Phys. B 100 (2010) 9-13 M. Urban, F. Couchot et X. Sarazin. arXiv Nous avons déjà imaginé beaucoup de projets expérimentaux à son sujet et nous vous en avons présenté 3 - Rejoignez-nous!

41 Matériaux supplémentaires

42 Astrophysics ConstraintsGamma Ray Burst Fermi observations: Only one short GRB with afterglow and redshift measurement GRB measured by Fermi -ray Space Telescope Z = 0.9 d L = m t 10 ms 0 ~ 0.7 fs.m -1/2

43 Astrophysics ConstraintsMillisecond pulsars Strong Dispersion ~ 1 ms / 6 GHz Very short pulses observed from the crab pulsar with Arecibo Radio Telescope (0.1 – few GHz) Requires Dedispersion Technique (computing) Crossley et al., Astrophys. J., 722 (2010) GHz GHz ~10 ms 0 ~ 0.2 fs.m -1/2 t 1 5 GHz

44 ULTRAFAST LASERS: Michigan group achieves laser intensity record In 2004 Yanovsky generated peak powers of 45 TW from Hercules, and focused pulses to a then-record intensity of W/cm 2. 2 After a regenerative Ti:sapphire amplifier boosted seed pulses to 40 mJ, the output was directed to a cryogenically cooled four-pass amplifier followed by a final two-pulse amplifier. A deformable mirror corrected wavefront distortion, and an f/0.6 off-axis parabolic mirror focused the beam to a 0.8 µm spot, with peak intensity of W/cm 2. However, amplified spontaneous emission from the system posed a problem. Amplifiers normally produce a prepulse of amplified spontaneous emission lasting around a nanosecond, which Yanovsky says is forever on the timescale of a femtosecond pulse. That prepulse is only about 10 –6 or 10 –7 the power of the femtosecond pulse, but when the system optics focus the main pulse to an intensity of W/cm 2 the prepulse is powerful enough to destroy the target before the main pulse reaches it. To overcome that problem, Yanovsky two years ago used a technique called cross-polarized wave generation to reduce amplified spontaneous emission to a level only 10 –11 of the femtosecond pulse. 3 Pumping up the pulse power Now his group has added a two-pass Ti:sapphire booster amplifier that pumps up the femtosecond pulse power by a factor of six at 0.1 Hz, generating 17 J pulses that, after compression, have peak power of 300 TW and a pulse width of 30 fs at a nominal center wavelength of 810 nm. Focusing those pulses onto a target with a f/1.0 parabolic mirror gives peak intensity of 2 × W/cm 2. Yanovsky explained that they chose not to use the f/0.6 lens because its focal length is so short that something is likely to obstruct the output before it reaches the target. If the technique can be extended to the shorter-focus lens, power density should reach 5 × W/cm 2. That intensity is close to the level of 1023 to 1024 W/cm 2 where interesting new physics is expected. Those power densities should produce radiation reaction effects that affect electron motion, offering a test of electrodynamic models that treat electrons as points. A more practical application of such intensities would be to accelerate protons or ions for cancer therapy. Penetrating the body requires electron energies of about 200 MeV, which now can only be achieved with expensive particle accelerators. Current laser acceleration is limited to about 50 MeVtoo low to make ions penetrate the body, but higher laser intensities could boost electron energies to the required 200 MeV range. It wont be easy to crank power up to that range. We are pretty much close to the limit on the focal spot, says Yanovsky; there is no room to go to mirrors faster than f/0.6 at 800 nm. Pulses might be squeezed down to 10 fs, which could yield up to a factor of three increase in peak power, but thats about the limit. Building a bigger laser in principle could yield as much pulse energy as you could afford, but reaching an energy sufficient to generate 100 pW would cost at least $100 million. The ultimate pulse intensity would be about W/cm 2 REFERENCES 1. V. Yanovsky et al., Optics Express 16, 2109 (Feb. 4, 2008) 2. S.-W. Bahk et al., Optics Lett. 29, 2837 (Dec. 15, 2004) 3. V. Chvykov et al., Optics Lett. 31, 1456 (May 15, 2006). The Lawrence Livermore National Laboratory (Livermore, CA) produced the first petawatt pulses a decade ago with chirped-pulse amplification, and other laboratories have followed. But those systems are limited to single shots because they use glass amplifiers, which dissipate waste heat slowly. Hercules uses Ti:sapphire amplifiers, with much better heat dissipation that allows a 0.1 Hz repetition rate imposed by the glass pump lasers, says coauthor Victor Yanovsky, who added that diode pumping of solid-state lasers might yield 100 J pulses at 10 Hz.

45 ELI - THE EXTREME LIGHT INFRASTRUCTURE ELI is a European Project, involving nearly 40 research and academic institutions from 13 EU Members Countries, forming a pan-European Laser facility, that aims to host the most intense lasers world-wide. The facility, based on four sites, will be the first large scale infrastructure based on the Eastern part of the European Community and has obtained a financial committment exceeding 700 M. The European Commission has recently signed the approval for funding the first ELI-pillar, located in the Czech Republic, with a budget of nearly 290 M. The first three sites will be situated in Prague (Czech Republic), Szeged (Hungary) and Magurele (Romania) and should be operational in The fourth site will be selected in 2012 and is scheduled for commissioning in ELI-Beamlines Facility In the Czech Republic, Prague, the ELI pillar will focus on providing ultra-short energetic particle (10 GeV) and radiation (up to few MeV) beams produced from compact laser plasma accelerators to users. ELI-Attosecond Facility In Hungary, Szeged, the ELI pillar will be dedicated to extremely fast dynamics by taking snap-shots in the attosecond scale (a billion of a billion of second) of the electron dynamics in atoms, molecules, plasmas and solids. It will also pursue research in ultrahigh intensity laser. ELI-Nuclear Physics Facility In Romania, Magurele, the ELI pillar will focus on laser-based nuclear physics. For this purpose, an intense gamma-ray source is forseen by coupling a high-energy particle accelerator to a high-power laser. ELI-Ultra High Field Facility The highest intensity pillar location will be decided in The laser power will reach the 200 PW or times the power of the world electric grid. It will depend, among other things, on the laser technology development and validation. It could be built on one of the existing three sites or in a new country. With the possibility of going into the ultra-relativistic regime, ELI will afford new investigations in particle physics, nuclear physics, gravitational physics, nonlinear field theory, ultrahigh-pressure physics, astrophysics and cosmology (generating intensities exceeding 10²³ W/cm²).

46 Air Fluctuations chromatiques Pour L = 5000m on attend donc 8000 fs délargissement de limpulsion pour 1 atm Comme on veut atteindre la fs on a besoin de faire un vide dau moins atm - En 2011 nous avons montré, à Bordeaux avec une précision de 10 -5, que la vitesse des photons dans le verre était la vitesse de groupe. - On suppose, et nous vérifierons, que cest pareil pour lair Impulsion FWHM = 70fs = 30nm *30* * FWHM 1.6fs chromatiques par mètre.

47 Les SLIMS dans un gaz Air Le vide est supposé, ici, ne pas fluctuer


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