PROGRESS TOWARDS A FIRST MEASUREMENT OF THE MAGNETIC BIREFRINGENCE OF VACUUM WITH A POLARIMETER BASED ON A FABRY-PEROT CAVITY

Questo lavoro di tesi è stato realizzato nell'ambito dell'esperimento PVLAS, che ha l'obiettivo finale di misurare la birifrangenza magnetica del vuoto. L’esperimento è finanziato dall’INFN e dal MIUR. La birifrangenza magnetica del vuoto, così come lo scattering fotone-fotone, sono previsti dall'Elettrodinamica Quantistica (QED): questi effetti, studiati già a partire dal 1936 da Euler, Heisenberg e Weisskopf, sono associati alle fluttuazioni delle coppie elettrone-positrone nel vuoto. Per un campo magnetico di 2.5 T, la birifrangenza magnetica indotta è: ∆n(EHW) = 2.47 × 10^−23 @ 2.5 T. Si tratta quindi di un effetto estremamente piccolo che è ancora in attesa di una conferma sperimentale diretta. Questo lavoro di tesi riguarda principalmente il nuovo ellissometro ad altissima sensibilità dell’esperimento PVLAS. L'ellissometro è formato da una coppia di polarizzatori incrociati, una cavità Fabry-Perot ad altissima finesse (F = 7 × 10^5), ed utilizza la tecnica eterodina per minimizzare gli effetti di rumore e sistematici. Per rendere il vuoto birifrangente si fa uso di due magneti dipolari rotanti caratterizzati complessivamente dal parametro integrale del B^2 dl = 10.25 T2m. Nel corso del mio lavoro di tesi ho caratterizzato l’apparato sperimentale, ho studiato le sorgenti di segnali spuri, e quelle di rumore in eccesso presente nel polarimetro. Come sorgente principale di segnali spuri è stata individuata la luce diffusa modulata dall’accoppiamento meccanico tra tubo e magnete. Nella tesi descrivo i metodi utilizzati per minimizzare questo accoppiamento magnetomeccanico, così come altri rumori ed effetti sistematici. I miglioramenti così ottenuti hanno permesso di acquisire dati per periodi piuttosto lunghi – dell'ordine di qualche settimana – e ciò ha permesso di migliorare i limiti attualmente esistenti sulla birifrangenza magnetica del vuoto, raggiungendo un livello di rumore (1σ c.l.) ∆n(PVLAS) = (12 ± 17)×10^−23 @ 2.5 T, che è un fattore 7 al di sopra dell'obiettivo costituito dalla previsione della QED. Per arrivare al livello della previsione della QED si dovrà migliorare la sensibilità almeno di un fattore 10. La causa del rumore, che è in eccesso di un fattore 50 rispetto al budget teorico previsto, è tuttora ignota. Sperimentalmente si osserva che il rumore ha un andamento ≈ 1/ f^α con un valore di α compreso tra 0.5 a 1. Il problema del rumore a larga banda è comune a tutti gli apparati, passati e presenti, che vogliono misurare la birifrangenza magnetica del vuoto. L’esame delle sensibilità di questi esperimenti e l'andamento spettrale del rumore sembrano suggerire che il limite possa essere dovuto ad un rumore termico dello specchio. Queste osservazioni, a cui ho contribuito con il mio lavoro di tesi, forse consentiranno di arrivare ad una nuova comprensione del rumore residuo e allo sviluppo di nuovi metodi sperimentali.

This dissertation work was carried out in the context of the PVLAS experiment, financed by INFN and MIUR, which has the ultimate goal of measuring the magnetic birefringence of vacuum. Photon-photon interaction and therefore magnetic birefringence of vacuum anticipated Quantum Electrodynamics (QED): these effects, already studied since 1936 by Euler, Heisenberg and Weisskopf, are associated with the fluctuations of electron-positron pairs in vacuum. The effective Lagrangian density derived by these scientists was later confirmed by Schwinger in 1951 within the QED formalism. For a 2.5 T magnetic field it is found that the induced vacuum magnetic birefringence is: ∆nEHW = 2.47 × 10^−23 @ 2.5 T. 
This birefringence is extremely small and is still waiting for a direct experimental confirmation. This thesis mainly concerns the new high sensitive polarimeter of the PVLAS experiment. The polarimeter consists of a pair of crossed polarisers, a Fabry-Perot cavity with a high finesse (F = 7 × 10^5) and uses the heterodyne technique to minimise the noise and the systematic effects. The anisotropy of vacuum with respect to electromagnetic radiation is produced using two rotating dipole permanent magnets characterised globally by the parameter integral B^2 dl = 10.25 T2m. In this thesis work, the experimental apparatus is characterised and the sources of spurious signals and excess wide band noise are studied. As the principal source of spurious signals, we have identified diffused light modulated by a mechanical coupling between the tube and the magnet. A detailed description of the methods used to minimise this magneto-mechanical coupling, as well as other noises and systematic effects, is given. The improvements thus obtained have allowed acquiring data for rather extended periods of time - of a few weeks and this has allowed the improvement of the existing current limits on magnetic vacuum birefringence, reaching a noise floor (1σ c.l.) ∆n(PVLAS) = (12 ± 17)×10−23 @ 2.5 T, a factor 7 above the predicted QED value.
 To reach the predicted QED value a ten fold improvement in sensitivity is necessary. The cause of the excess wide band noise, which is more than a factor 50 above the expected budget, is still unknown. Experimentally it is observed that the noise has a trend ≈ 1/ f α with α between 0.5 and 1. The problem of the excess wide band noise is common to all the experimental efforts, past and present, intended to measure the vacuum magnetic birefringence. The sensitivity of these experiments and the slope of the spectral noise seem to suggest that the limit may be due to the thermal noise of the mirrors. These remarks, to which this thesis work has also contributed, perhaps will lead to a new understanding of the residual noise of such devices and to the development of useful new experimental methods.