Et si le vide était plein?

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

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

3. le vide? Plein de particules éphémères

4. Quelques phénomènes où le vide est un acteur important et parfois… essentiel! Propriétés du vide sous stress électromagnétique 1- Le vide soumis à un stress magnétique => calcul de m0 2- Le vide soumis à un stress électrique=> calcul dee0 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 desfermions chargés éphémères

5. Propriétés du vide sous stress électromagnétique

6. Le vide sous stress magnétique…m0 idées de F. Couchot Les paires apparaissent avec des moments répartis uniformément en angle solide Spin total = 0 => m = 2mB Temps de vie inversement proportionnels à l’énergie Cette paire a une énergie de couplage plus grande avec B =>elle va vivre moins longtemps B = Champ extérieur Cette paire a une énergie plus petite elle va vivre plus longtemps La différence des temps de vie conduit à une magnétisation du vide

7. Le vide sous stress magnétique…m0 I B = m0nI + m0M M = magnetization of the matter If matter is removed: B = m0nI  0 B 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: t, dépend de son orientation par rapport à B La moyenne sur  donne le moment induit moyen par paire

8. Le vide sous stress magnétique…m0 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 Il faut sommer sur toutes les familles de fermions

9. Le vide sous stress magnétique…m0 La seule inconnue est la densité des paires et cela est donné par l’énergie moyenne. C’est le facteur KW. Pour obtenir m0 = 4p 10-7 nous devons avoir Ce qui implique KW= 32 Les 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)

10. Le vide sous stress électrique…e0 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. On trouve 9pF/m en prenant KW=32, comme pour m0, et Kd=1. Elim= 5 1018 V/m Les paires ont donc la longueur Compton comme dimension.

11. Remarques 1- indépendamment de KW 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 a, ℏ et e comme constantes fondamentales, e0et m0 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 d’impédance. Le coefficient de réflexion est donc nul…fort heureusement!

12. Action du vide sans stress

13. Emission spontanée L’émission spontanée = émission stimulée par des photons éphémères du vide. Spontaneous decay with We have When 2P => 1S We can rewrite it as • is the flux per m2 and per seconde of ephemeral photons falling upon the excited atom. r is the number of these photons per m3 and s is the cross section for the stimulation to happen. On adopte cette densité pour notre traitement de l’effet Casimir Nous obtenons la densité de photons éphémères mais seulement jusqu’à des énergies de quelques dizaines d’eV.

14. Durée de vie du neutron Spontaneous decay of neutron can be seen as… Ephemeral W-from vacuum Stimulated emission of a W- neutron proton 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.

15. Effet Casimir Regardons ce qui tombe sur P2 P1 P2 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 A B C I II III IV suppose the density of ephemeral photons is: + their life time to be: 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.

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 d’eV…Sauf que KW=30!

17. Propagation de particules éternelles dans le vide

18. Un peu de QED B A Photon #1 N = 2 e+e- Photon #2 N = 4 Vitesse quasi nulle pendant t. Si AB = 1 m => <N>t < 3.3 10-9 s => <N> < 1013 Fluctuations du temps de transit:

19. Propagation des photons éternels…<c> etsc ti = durée de vie de la paire de type i Ni= Densité des paires de type i si = section efficace de capture f f Le libre parcours moyen est 1/(siNi) Le nombre moyen de stops sur une distance L est Nstop = sNL Chaque stop dure ti donc le temps d’arrêt moyen total est Nous en déduisons la vitesse moyenne des photons En prenant les valeurs de t et N obtenues pour m0 et e0 nous devons prendre, pour trouver 3 108 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 KW~32, nous prédisons s0  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 Fluctuationsof theLightvelOcityWhatEvertheReason François Couchot, Xavier Sarazin, Marcel Urban LAL Orsay Il s’agit de voir si c’est vrai que la vitesse des photons peut fluctuer. On s’intéresse donc à sc si tant est qu’il soit différent de zéro.

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

25. Le principe de FLOWER The length of the cavity can be modified Input/output Hole COLA (LOMA) Ti:Sapphire Pulsed Laser 10 nJ / pulse Dt0 (rms) ~ 30 fs Dl (rms) ~ 33 nm Primary pulse Concave Mirror M2 Planar Mirror M1 RC = 1.8 m The number of round trips can be modified Motor stage Non linear crystal Diode M Intensity Autocorrelation

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

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

28. Flower en 2012 Herriot 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: s0 ~ 0.7 fs.m-1/2Like GRBs Super-Flower (2013?) Herriot cell Lcell ~ 50 m  reach Lvacuum = 5 km with 50 round trips Width (rms) of initial laser pulses 2 fs Improved accuracy of autocorrelation meas. ~ 0.5 fs (0.15 mm step) s0 ~ 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 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.

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

32. Effet SHADOK (On pompe le vide) 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 Mercury Laser @ Livermore (LLNL) 15 J & 15 fs Fg = 1023 W/cm2 => Dc/c = 10-7

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

34. Le projet SLIM Statistical fluctuation of light Interacting with Matter Questions 1- Pourquoi la lumière va-t-elle moins vite dans la matière? 3- Quelle est l’épaisseur d’interface 1Å ou 1l? 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 l3? 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

35. Les SLIMS dans le quartz 10-16 cm2 = 1 Å2 sgeometrique = 13 Å2 Taille cellule SiO2 = 3.6Å Nombre de molécules par unité de volume: Nombre de molécules sur une longueur L: Nombre moyen de stops sur L: L’indice de réfraction donne la somme des stops: Fluctuation temporelle: Dans cette formule seule la section efficace photon_molécule: s, 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. 10eV 1keV Section efficace

36. s= 2 fs

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

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

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

40. 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!

41. Matériaux supplémentaires

42. s0 ~ 0.7 fs.m-1/2 st  10 ms Astrophysics Constraints Gamma Ray Burst Fermi observations: Only one “short” GRB with afterglow and redshift measurement GRB 090510 measured by Fermi g-ray Space Telescope Z = 0.9  dL = 1.8 1026 m

43. Astrophysics Constraints Millisecond pulsars 1.428 GHz Very short pulses observed from the crab pulsar with Arecibo Radio Telescope (0.1 – few GHz) Crossley et al., Astrophys. J. , 722 (2010) 1908 Strong Dispersion ~ 1 ms / 6 MHz @ GHz  Requires Dedispersion Technique (computing) 1.368 GHz ~10 ms st  1 ms @ 5 GHz s0 ~ 0.2 fs.m-1/2

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 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 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 × 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 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 thefirst 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 Facility The 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).

46. Fluctuations chromatiques Air - 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 • Dl = 30nm • 610-5*30*2.810-4*3.310-9 • FWHM 1.6fs chromatiques par mètre. 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

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