Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/4572
Title: The MIR experiment: quantum vacuum and dynamical Casimir effect
Other Titles: L'esperimento MIR: il vuoto quantistico e l'effetto Casimir dinamico
Authors: Messineo, Giuseppe
Supervisore/Tutore: Della Valle, Federico
Issue Date: 29-Mar-2011
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: This thesis concerns one of the few low energy experimental efforts aiming to test Quantum Electrodynamics. The experiment MIR (Motion Induced Radiation) studies the quantum vacuum in the presence of accelerated boundaries. According to Quantum Electrodynamics, a non-uniformly accelerated mirror in vacuum feels a friction force due to the interaction with the vacuum photons. As a consequence, real photons are produced in the process, which is known as dynamical Casimir effect. The radiated energy is emitted at the expense of the mechanical energy of the mirror. The effect has never been observed experimentally, since it is very feeble. Only recently a few experimental approaches have been proposed. The theory of the dynamical Casimir effect has been treated extensively in literature. According to the models proposed, for harmonic oscillations the effect is proportional to the oscillation frequency. As all the papers refer to frequencies of the order of a gigahertz, it is not possible to tackle the problem of obtaining a moving boundary with a purely mechanical approach, for example employing piezoelectric transducers or acoustic excitations, due to the large amount of energy required to keep a massive object in motion. A solution to this problem was proposed at the end of the 80's and has been adopted in the MIR experiment. In this framework the moving boundary is a semiconductor slab that switches periodically from complete transparency to total reflection when illuminated by a train of laser pulses. In this way one obtains a time variable mirror which mimics a physical oscillation, without the burden of overcoming the inertia of the mirror. Even so, the number of photons expected is extremely small. The MIR experimental strategy to enhance the photon production is to have the mirror as the wall of a resonating cavity. In this case, if the repetition rate of the laser is about twice a resonance frequency of the cavity, a parametric amplification process occurs, resulting in an enhancement of the number of photons by a factor which depends on the Q-value of the cavity. To this end, superconducting cavities are employed in the experiment.
Questa tesi riguarda uno dei pochi esperimenti di bassa energia dedicati allo studio dell'Elettrodinamica Quantistica. L'esperimento MIR (Motion Induced Radiation) studia il vuoto quantistico in presenza di condizioni al contorno accelerate. Secondo l'Elettrodinamica Quantistica, uno specchio non uniformemente accelerato nel vuoto risente di una forza di attrito dovuta all'interazione con i fotoni del vuoto. In conseguenza di ciò in questo processo, noto come effetto Casimir dinamico, vi è produzione di fotoni reali. L'energia irradiata viene emessa a scapito dell'energia meccanica dello specchio. L'effetto è molto debole e non è mai stato osservato sperimentalmente. Solo di recente sono stati proposti alcuni approcci sperimentali, mentre gli aspetti teorici sono stati trattati ampiamente in letteratura. Secondo i modelli proposti, nel caso di oscillazioni armoniche l'effetto è proporzionale alla frequenza di oscillazione. Poiché tutti gli articoli fanno riferimento a frequenze dell'ordine di un gigahertz, con un approccio puramente meccanico, ad esempio impiegando trasduttori piezoelettrici o eccitazioni acustiche, non è possibile risolvere il problema di ottenere uno specchio in movimento a causa della grande quantità di energia richiesta per mantenere un oggetto massivo in moto. Una soluzione a questo problema è stata proposta alla fine degli anni '80 ed è stata adottata nell'esperimento MIR. L'idea è che la parete in movimento possa essere sostituita da un lastra di semiconduttore che periodicamente passa da uno stato di totale trasparenza ad uno di alta riflettività, per illuminazione da parte di un treno di impulsi laser. In tal modo è possibile ottenere un specchio variabile nel tempo che riproduce una oscillazione fisica, senza la necessità di superare l'inerzia dello specchio. Anche in questo caso tuttavia, il numero di fotoni previsto è estremamente ridotto. La strategia sperimentale di MIR per aumentare la produzione di fotoni è quella di utilizzare lo specchio variabile come parete di una cavità risonante. Se la frequenza di ripetizione del laser è circa due volte la frequenza di risonanza della cavità, si verifica un processo di amplificazione parametrica, con un conseguente aumento del numero di fotoni prodotti. Poiché questo incremento dipende dal Q-valore della cavità, nell'esperimento vengono impiegate cavità superconduttrici.
Ciclo di dottorato: XXIII Ciclo
metadata.dc.subject.classification: SCUOLA DI DOTTORATO DI RICERCA IN FISICA
Description: 2009/2010
Keywords: dynamical Casimir effect
quantum vacuum
particle production
parametric amplification
gigahertz repetition rate laser source
Language: en
Type: Doctoral Thesis
Settore scientifico-disciplinare: FIS/01 FISICA SPERIMENTALE
NBN: urn:nbn:it:units-9017
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