Et si le vide était plein?

M. Urban, F. Couchot et X. Sarazin

LAL Orsay

LLR. 19 Mars 2012

Une manip simple

P

V

Gaz dont on varie la pression

P

V

0

P

C

0

Quand y en n’a plus…y en a encore!

C

?

le vide?

Plein de particules éphémères

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 <c> , fluctuation des temps de transit fermions chargés éphémères

7- l’électron => zitterbewegung? fermions chargés et photons éphémères

8- K0 => violation de CP? Dissymétrie des fermions chargés éphémères

Quelques phénomènes où le vide est un acteur important et parfois… essentiel!

Propriétés du vide sous stress électromagnétique

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 => = 2B

Temps de vie inversement proportionnels à l’énergie

La différence des temps de vie conduit à une magnétisation du vide

I

B

B = 0nI + 0MM = magnetization of the matterIf matter is removed: B = 0nI 0

Moment magnétique de la paire éphémère

L’énergie de la paire, à la naissance, est Wi = KW 2mic2

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

i

iipaire m

q

222

cos2

2/

BW iii

Le vide sous stress magnétique…0

iB

B

d

d

M i

i

ilim

0

0

32

sin2)(

sin2)(cos2

i

iWB

i 2lim

La densité numérique (donnée par le principe d’exclusion de Pauli) de paires de type i est Ni

Le moment magnétique induit par unité de volume est donc

BW

NMNMi

iiiii 3

422

2

3

2

22

1

cm

KN

i

Wi

0~/ BMM

ii

Il faut sommer sur toutes les familles de fermions

322

0

1

3~1

W

W

K

K

ce

Le vide sous stress magnétique…0

KW2 1 3

KW

3 2

4

La seule inconnue est la densité des paires et cela est donné par l’énergie moyenne. C’est le facteur KW.

Pour obtenir 0 = 410-7 nous devons avoir

Ce qui implique KW = 32Les paires ont une énergie moyenne qui est 32 fois leur énergie au repos (2mc2) et Blim≈2 1011 T (étoiles à neutron = 108 T, magnétars = 1010 T)

Le vide sous stress magnétique…0

Le vide sous stress électrique…0

Idées de F. Couchot

C’est le même raisonnement que pour les moments magnétiques.

La différence est qu’en plus de la densité des paires Ni, les dipôles électriques di, de ces paires, n’apparaissent que s’il y a une distance entre les éléments de la paire.

iidi qKd

cos

2/

EdW iii

i ii

iW

W W

qK

K 0

23

2

0 2

1

3

1~

On trouve 9pF/m en prenant KW=32, comme pour 0, et Kd=1. Elim= 5 1018 V/m

Les paires ont donc la longueur Compton comme dimension.

Remarques

i ii

iW

W W

qK

K

c

0

23

22

0 2

1

3~1

i i

iW

W iW

qK

K 0

23

2

0 2

1

3

1~

1- indépendamment de K1- indépendamment de KWW et du nombre de familles de fermions (on retrouve cette relation de et du nombre de familles de fermions (on retrouve cette relation de

Maxwell avec un modèle purement corpusculaire)Maxwell avec un modèle purement corpusculaire)

1~~ 200 c

377

4

81

23~

1~022

3

20

0 ZeeK

Kc

cW

W

2- Dans un monde où l'on ose faire varier 2- Dans un monde où l'on ose faire varier cc, en gardant , en gardant , et ℏ, et ℏ ee comme constantes comme constantes fondamentales, fondamentales, 00 et et 00 varient en varient en 1/c1/c, et l'impédance du vide reste constante., et l'impédance du vide reste constante.

3- Les photons se propageant dans un Univers où c varie ne rencontrent pas de rupture 3- Les photons se propageant dans un Univers où c varie ne rencontrent pas de rupture d’impédance. Le coefficient de réflexion est donc nul…fort heureusement!d’impédance. Le coefficient de réflexion est donc nul…fort heureusement!

Action du vide sans stress

Emission spontanée

Spontaneous decay

2

30

1

3

11i

m

epf

c

with irfiei

m

pef

We have2

3

32

3

3

0

2

3

4

43

41irf

ccirf

cc

c

e

20

2

0

52

6.13

264 aairf

When 2P => 1S

We can rewrite it as

c1

is the flux per m2 and per seconde of ephemeral photons falling upon the excited atom.

is the number of these photons per m3 and is the cross section for the stimulation to happen.

20

3

6.13

41ac

c

E

3

3

4

c

E

206.1 a

On adopte cette densité pour notre traitement de l’effet Casimir

20

3

6.13

41ac

c

E

Nous obtenons la densité de photons éphémères mais seulement jusqu’à des énergies de quelques dizaines d’eV.

L’émission spontanée = émission stimulée par des photons éphémères du vide.

Durée de vie du neutronSpontaneous 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 l’année de quelques 10-10 => 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

Effet Casimir

A

B

C

IVIIIIII

P1 P21- 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

440449.0

70 a

c

a

c

44

2

0411.0240 a

c

a

csimirpressureCa

dpdVp3

24

suppose the density of ephemeral photons is:pc

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 P2

- 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 d’eV…Sauf que KW=30!

Propagation de particules éternelles dans le vide

Un peu de QED

A B

e+e-

Photon #1

sMeV

22103.32

Si AB = 1 m => <N>< 3.3 10-9 s => <N> < 1013

N = 2

N = 4Vitesse quasi nulle pendant .

1mpour 10310.3103 15226 sN

Fluctuations du temps de transit:

Photon #2

Propagation des photons éternels…<c> et c

f

f

i = durée de vie de la paire de type i

Ni = Densité des paires de type i

i = section efficace de capture

Le libre parcours moyen est 1/(iNi)

Le nombre moyen de stops sur une distance L est Nstop = NL

Chaque stop dure i donc le temps d’arrêt moyen total est

Nous en déduisons la vitesse moyenne des photons

iistopNT ,

iii NT

Lc

1~

22Thomson

3

822

iCii Q

En prenant les valeurs de et N obtenues pour 0 et 0 nous devons prendre, pour trouver 3 108 m/s, une section efficace assez grande qui est :

- 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

LLKc

NW

Cecolt 048

1

Avec KW~32, nous prédisons 0 50 as.m-1/2

Quelques expériences pour soumettre à la question ces idées

=> Deux expériences pour un test direct

FLOWER et LIGHTSABER

=> Une expérience dans la matière: SLIM

Le projet FLOWERFluctuations of the Light velOcity WhatEver the Reason

François Couchot, Xavier Sarazin, Marcel UrbanLAL Orsay

Il s’agit de voir si c’est vrai que la vitesse des photons peut fluctuer.

On s’intéresse donc à c si tant est qu’il soit différent de zéro.

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

)(2.0)( mdfsFWHM

Le principe de FLOWER

Primary pulse

COLA (LOMA)Ti:SapphirePulsed Laser10 nJ / pulse

t0 (rms) ~ 30 fs(rms) ~ 33 nm

Motorstage

Diode

Non linearcrystal

Intensity Autocorrelation

RC = 1.8 mConcave Mirror M2Planar Mirror M1

M

The length of the cavitycan be modified

The number of round tripscan be modified

Input/output Hole

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

Si le pulsar du Crab voit déjà les fluctuations du vide

Vide primaire

Pas de SLIM et pas de c

SLIM et c

22 beamfwhm

Flower en 2012Herriot cell Lcell ~1.63 m reach Lvacuum = 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.m1/2 Like GRBs

Super-Flower (2013?)

Herriot cell Lcell ~ 50 m reach Lvacuum = 5 km with 50 round tripsWidth (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.

23030 20

2 L

5.022 20

2 L

The lightsaber project

Un faisceau intense de lumière polarisée peut saturer le vide. Les fermions ayant absorbés un photon d’hélicité +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.

C’est le contraire de l’effet Kerr AC.

Photon qui arrive après les autres

Les derniers seront les premiers

Effet SHADOK (On pompe le vide)

1810.31

msN

ciii

Impulsion polarisée circulairement +1

Lorsqu’un photon est absorbé par un electron le spin de l’electron passe de -1/2 à +1/2

Un autre photon +1 ne peut plus être absorbé par cet électron

)(

1*

iiii NNc

eN

N

c

c

64

3423

/103)7(

1m

fmN e

= 1023 W/cm2 => c/c = 10-7

Mercury Laser @ Livermore (LLNL) 15 J & 15 fs

)/(10 230 cmWc

c

lightsaber

Faisceau sonde

Hélicité +1 et -1

Faisceau extrême hélicité +1

Séparation angulaire

des deux hélicités

30102)1(2 n

Avec le laser Livermore 223 /10 cmW mrad1

This guy should literally bounce back from the intense red beam

Notre vision de la propagation des photons dans la matière:

section efficace de capture + durée d’arrêt inversement proportionnelle à l’emprunt d’énergie + 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 l’épaisseur d’interface 1Å ou 1?

2- Comment peut-on définir et comprendre un indice dans un gaz très dilué, lorsque le gaz est tel qu’il y a bien moins de 1 molécule par 3?

Le projet SLIMStatistical fluctuation of light Interacting with Matter

Section efficace

1keV10eV

10-16 cm2 = 1 Å2

L’indice de réfraction donne la somme des stops:

geometrique = 13 Å2Taille cellule SiO2 = 3.6Å

Lc

LN 9610.1

2

Nombre de molécules par unité de volume:328 /210 mmoln

Nombre moyen de stops sur L:

Fluctuation temporelle:

NN

Dans cette formule seule la section efficace photon_molécule: , est inconnue. Si elle est énorme nous n’aurons 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 c’est bien la limite que nous avons pu déterminer grâce à nos mesures sur le verre à Bordeaux.

)1)(( nLtot eLNN

Nombre de molécules sur une longueur L: LLN tot9107.2)(

Les SLIMS dans le quartz

= 2 fs

Où nous voyons qu’il est impossible de savoir s’il 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

setup actuel:0.2m de verre et de 1 à 9 passages

Ce qu’il 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

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 l’air=> Plusieurs km d’air depuis 1 Atm jusqu’à 10-3 Atm et une impulsion lumineuse à 800 nm, 30 fs rms

Conclusions

- Le vide est un sujet d’étude. Il est admis qu’il est discontinu pour des distances de Planck. (EPlanck = 1028 eV)J. Ellis et al., Phys. Lett. B 665, 412 (2008)

- Nous suggérons qu’il 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 1111.1847

- Nous avons déjà imaginé beaucoup de projets expérimentaux à son sujet et nous vous en avons présenté 3

- Rejoignez-nous!

Matériaux supplémentaires

Astrophysics Constraints Gamma Ray Burst

Fermi observations: Only one “short” GRB with afterglow and redshift measurement

GRB 090510 measured by Fermi -ray Space Telescope

Z = 0.9 dL = 1.8 1026 m

t 10 ms

0 ~ 0.7 fs.m-1/2

Astrophysics Constraints Millisecond pulsars

Strong Dispersion ~ 1 ms / 6 MHz @ 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) 1908

1.428 GHz

1.368 GHz

~10 ms

0 ~ 0.2 fs.m-1/2

t 1 s @ 5 GHz

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 1022 W/cm2.2 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 1022 W/cm2.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 1022 W/cm2 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 powerNow 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 × 1022 W/cm2. 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 × 1022 W/cm2.That intensity is close to the level of 1023 to 1024 W/cm2 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 MeV—too low to make ions penetrate the body, but higher laser intensities could boost electron energies to the required 200 MeV range.It won’t 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 that’s 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 1029 W/cm2

REFERENCES1. 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.

ELI - THE EXTREME LIGHT INFRASTRUCTUREELI 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 2015. The fourth site will be selected in 2012 and is scheduled for commissioning in 2017.

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 FacilityThe highest intensity pillar location will be decided in 2012. The laser power will reach the 200 PW or 100 000 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).

AirFluctuations chromatiques

nmn

n

g

g /1061

)1(5

Pour L = 5000m on attend donc 8000 fs d’élargissement de l’impulsion pour 1 atm

Comme on veut atteindre la fs on a besoin de faire un vide d’au moins 10-5 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 c’est pareil pour l’air

Impulsion FWHM = 70fs = 30nm 610-5*30*2.810-4*3.310-9

FWHM 1.6fs chromatiques par mètre.

Les SLIMS dans un gaz

Air

Le vide est supposé, ici, ne pas fluctuer