Studie magneticky indukovaného dvojlomu z QED ve vakuu v exprimentu OSQAR

Ing. Štěpán Kunc

Doctoral thesis

Study of the Magnetically Induced QED Birefringence of the Vacuum in experiment OSQAR

Abstract:

Klasická elektrodynamika vakua je lineární teorií a nepředpokládá foton-fotonový rozptyl ani jiné nelineární vazby mezi elektromagnetickými poli. V roce 1936 učinili Euler, Heisenberg a Weisskopf v raném vývoji kvantové elektrodynamiky (QED) předpoklad, že samotné vakuum se může chovat jako anizotropní médium za přítomnosti vnějšího magnetického pole. Tento jev je známý pod anglickým označením Vacuum Magnetic Birefringence (VMB) a od jeho prvních kvantitativních výpočtů v roce 1970 je stále velkou výzvou pro optickou metrologii. Když se lineárně polarizované světlo pohybuje silným příčným magnetickým polem ve vakuu, polarizační stav světla se změní na eliptický podobně jako v anizotropním krystalu. Rozdíl v indexech lomu řádného a mimořádného paprsku je přímo spojen se základními konstantami, jako je konstanta jemné struktury nebo Comptonova vlnová délka. Dvojlom vakua (VMB) by mohl vznikat také z existence lehkých skalárních nebo pseudoskalárních částic, jako jsou axiony nebo axionům podobné částic. Axion se rozpadá na dva fotony a to by se projevilo jako odchylka od počáteční předpovědi QED. Tato práce zkoumá možnosti měření VMB pomocí supravodivých magnetů z Large Hadron Collider (LHC). Vysoce citlivé měření dvojlomu za použití elektrooptického modulátoru je analyticky vypočítáváno a experimentálně ověřeno na Cotton-Moutonově (CME) jevu v dusíku. Měření probíhalo v rámci experimentu OSQAR v Evropské organizaci pro jaderný výzkum (CERN). V práci jsou diskutovány různé zdroje šumu a výsledná citlivost měření dvojlomu. Disertace se také zabývá využitím optického rezonátoru pro měření VMB. Na konci textu je představeno nové originální řešení pro měření VMB pomocí supravodivých magnetů se statickým magnetickým polem.

Abstract:

Classical electrodynamics in a vacuum is a linear theory and does not foresee photon-photon scattering or other nonlinear effects between electromagnetic fields. In 1936 Euler, Heisenberg and Weisskopf put framework, in the earliest development of quantum electrodynamics (QED), that vacuum can behave as a birefringent medium in the presence of the external transverse magnetic field. This phenomenon is known as Vacuum Magnetic Birefringence (VMB) and it is still challenging for optical metrology since the first calculations in 1970. When linearly polarized light travels through the strong transverse magnetic field in vacuum, the polarization state of the light would change to elliptical. The difference in the refraction indexes of the ordinary and extraordinary ray is directly related to fundamental constants, such as fine structure constant or Compton wavelength. Contributions to VMB could also arise from the existence of light scalar or pseudoscalar particles, such as axions or axions like particles. Axions couple to two photons and this would manifest itself as a sizeable deviation from the initial QED prediction. This thesis investigates the possibility of the VMB measurement with Large Hadron Collider (LHC) or other superconducting magnets. High sensitive birefringence measurement based on the electro-optic modulator is analytically calculated and experimentally tested on Cotton-Mouton effect (CME) in nitrogen gas. Measurements were made in experiment OSQAR at European Organization for Nuclear Research (CERN). Various sources of noise are discussed, and a sensitivity of the setup is presented. Optical cavities and their implementation are proposed and calculated. At the end of the thesis, the new solution for VMB measurement with superconducting magnets is presented.

Keywords

Polarimetrie, ellipsometr, magnetický dvojlom vakua, OSQAR, Axion, Cotton- Moutonův jev v dusíku

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 14. 8. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 28. 2. 2018
• Supervisor: doc. RNDr. Miroslav Šulc, Ph.D.

Technical University of Liberec

Faculty of Science, Humanities and Education

Doctoral programme / field:
Applied sciences in engineering / Physical Engineering