J. Haissinski et al.

Guy Wormser, Branville, Mai 2006 Rencontre de Branville mai 2006 Guy Wormser  groupes de travail prospectives Contexte

Groupe IV : expériences aux basses énergie [Mesures de la constante de gravitation aux faibles distances] Spectroscopie anti-hydrogène  tests de CPT Interaction laser-laser  Mesure de la biréfringence du vide  Recherche de ‘l’axion’ S. Dagoret, J. Haissinski, M. Jacquet-Lemire, P. Puzo, D. Rousseau, A. Stocchi, M. Urban, A. Variola, Z. Zhang, F. Zomer

Mesure de la ‘biréfringence du vide’ à basse énergie

Motivations (en 2006) La ‘biréfringence du vide’ introduite par Euler-Heisenberg dans les années 30, n’est toujours pas mesurée Il y a 20 ans :

Plan La ‘biréfringence du vide & l’axion à basse énergie Mesure de la ‘biréfringence du vide’ à basse énergie  l’expérience PVLAS (en 2006)  L expérience BMV (en 2013) Possibilité de mesurer la ‘biréfringence du vide’ via l’interaction laser-laser

Polarisation & biréfringence du vide Lagrangien Euler-Heisenberg pour l’interaction ‘lumière-lumière’ ( , puis Schwinger via QED) –Décrit  réel  virtuel   réel  virtuel OU  réel  réel   réel  réel –Technique ‘classique’ pour trouver la solution (=champ(s) de lumière sortant(s) ) Calcul des déplacements électrique et magnétique Puis 2 tenseurs diélectrique & magnétique (=matrices 3x3)  ‘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 L Solution eq. Maxwell : Polarisation linéaire Polarisation elliptique  But de l’expérience PVLAS : mesurer  n vide = (avec B= 5.5T) Soit  = rad grâce à la cavité  Défit technologique (1-n air = !) Les composantes du champ elm E  et  à B sont déphasées de  : [B c = T]

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 : m a  0.02eV & couplage g a   GeV -1 Production réelle Production virtuelle Même effet que la biréfringence du vide

Mesuré par BMV en 2013 k cm =(-7.4±8.7)x T -2 Mesuré par BMV en 2013 k cm =(-7.4±8.7)x T -2 Lab. Champs Magnétiques Intenses (Toulouse)

 Effets identiques pour  réel  réel   réel  réel  ‘biréfringence du vide’ aussi observable dans l’interaction laser-laser  Effets identiques pour  réel  réel   réel  réel  ‘biréfringence du vide’ aussi observable dans l’interaction laser-laser Intérêt pour une expérience laser-laser Intérêt pour une expérience laser-laser

Expérience avec des faisceaux lasers intenses (LULI, 1999) et al. Mesure: Ellipticité Dichroïsme Avec des cavités optiques (techniques métrologiques) Mélange à 4 ondes

Mesures : Ellipticité Dichroïsme Limités par le shot noise des photodiodes 3m 20W,  t=200fs f rep =50MHz 5mW,  t=200fs Des chiffres : RFinesse cavité Durée mesure  n vide ans h Paramètres ‘tirés’ au maximum et : grande puissance intra-cavité  =2MW P/pulse=200GW En conclusion ces chiffres nous faisaient peur !  En 2013 on (LAL & CELIA) a difficilement obtenu 80kW… En conclusion ces chiffres nous faisaient peur !  En 2013 on (LAL & CELIA) a difficilement obtenu 80kW…

Connexion de la biréfringence avec l’interaction  ? Dynamique : graphe de Feynman pour :  réel  virtuel   réel  virtuel On (J. Haissinski !) retrouve la même expression pour  n vide avec le calcul de la diffusion cohérente  Le vide est-il biréfringent ou est-ce juste un déphasage induit par l’interaction  ?

Théorème Optique & QED  Biréfringence du vide (laser+laser) Effets Kerr dans le vide (laser+E 0 static field) Effet Cotton-Mouton dans le vide (laser+B 0 static field) Rikken-Rizzo (laser+mix E 0 &B 0 static fields) J. Haissinski et al.

Conclusion -Le ‘charme’ de la biréfringence du vide est retombé quand nous l’avons compris comme une diffusion gg -D’un directeur l’autre, Achille semble aussi s’intéresser à l’axion … Conclusion -Le ‘charme’ de la biréfringence du vide est retombé quand nous l’avons compris comme une diffusion gg -D’un directeur l’autre, Achille semble aussi s’intéresser à l’axion …

Conclusion PVLAS mesure un signal ‘axion like’ –Signal persistant malgré 4 années d’études systématiques Rotation (dichroïsme) de rad …  Nouvelle physique ? (boson pseudoscalaire : axion, familon, majoron…) Pas de résultat sur l’ellipticité, i.e. sur  n vide –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  n vide –Si le signal PVLAS est confirmé  nous pourrions monter une expérience laser-laser dans le futur

Mesure de  n vide 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 ! I c = intensité critique = W/cm 2  Faisceau laser de forte puissance fortement focalisé dans la cavité

R&D source e + polarisés pour l’ILC R&D EUROTEV (6 èm pcrd) Laser : 1W,  t=1ps 75MHz F= & & réduction taille faisceau laser & contrôle de la polarisation intra-cavité Même R&D que pour la mesure de  n vide On pourrait monter l’expérience… Laser à fibre dopée W,  t  1ps f rep =50MHz Demande R&D (7 èm pcrd) en 2007 F= & & réduction taille faisceau laser & contrôle de la polarisation intra-cavité

Pic e+ dans les diffusions d’ions lourds à Darmstadt Explication : l’axion ?  Impossible !  Boson pseudoscalaire ?  Limites expérimentales

Lagrangien de couplage axion-photon

Expérience photon-photon au LULI (D. Bernard 1998) Mesure à angle : pas de signal …

L’expérience PVLAS laser B E Bobine supra ‘tournante’ (0.6Hz) Miroirs cavité Fabry-Perot Finesse= L Bobine =4.6m Mesure: Ellipticité Dichroïsme Signal : déphasage  Accroître L grâce à une cavité Fabry-Perot de très haute finesse Résultat : mesure d’un dichroïsme ( rad/allé !)  ‘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   n vide … Signaux parasites : e.g. effets magnéto-optiques de B sur les éléments optiques a

Expérience ‘sur table’ en cours pour valider/invalider PVLAS : BMV/Toulouse (Champ pulsé)

QED non-linéaire