Théories maxwelliennes généralisées – structure théorique et tests expérimentaux

Generalised Maxwellian Theories – theoretical structure and experimental tests

• Auteur / Autrice : Abedennour Dib
• Direction : Alessandro Spallicci
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/03/2023
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LPC2E - Laboratoire de Physique et Chimie de l'Environnement et de l'Espace

Mots clés

Mots clés libres

Photon

Théories massives

Théories non linéaires

Au-de-là du modèle standard

Astrophysique

Cosmologie

Photon

Massive theories

Non-linear theories

Standard-Model Extension

Astrophysics

Cosmology

Résumé

Les observations astrophysiques sont principalement basées sur des signaux électromagnétiques, lus avec la théorie de Maxwell, linéaires et sans masse photonique, se rapprochant éventuellement d'une théorie plus large, telle que la gravité newtonienne pour la relativité générale. Nous examinons les Théories Maxwelliennes Généralisées (GMT) qui induisent A) des modifications des lois de Maxwell B) une biréfringence pour laquelle l'indice de réfraction dépend de la polarisation de la lumière et de la direction de propagation C) un décalage de la fréquence d'émission des magnétars D) une dispersion de la lumière pour laquelle la vitesse de groupe diffère de c par un facteur proportionnel à l'inverse du carré de la fréquence, impactant les signaux des pulsars, les sursauts radio rapides (FRBs), l'astronomie multi-messagers et les estimations de la masse des gravitons E) un décalage de fréquence dans le vide, dû à l'échange d'énergie entre le photon et les champs de fond, entraînant la réinterprétation de l'expansion de l'univers et de l'énergie sombre. Les GMT sont massives (de Broglie-Proca, Bopp, Podolski, Stueckelberg et autres) ou non linéaires (Born-Infeld, von Heisenberg-Euler et autres). En physique des particules moderne, le modèle standard (SM), qui respecte la symétrie Lorentz-Poincaré, n'explique pas les oscillations et les masses des neutrinos, le déséquilibre matière-antimatière et l'univers sombre. Pour le SM, le photon est la seule particule libre et sans masse. Les théories d'extension du SM basées sur la brisure de symétrie (théories SME) conduisent à une masse effective, invariante de jauge, mais anisotrope du photon. Le doctorant devra 1. compléter l'identification des modifications des lois de Maxwell dans le cadre du SM déjà entamé par la collaboration (par exemple, la loi d'Ampère pour les données des satellites Cluster et MMS). 2. compléter l'identification de la variation de fréquence Δf/f par mètre dans le cadre de GMT, due à l'échange d'énergie entre le photon et le champ électromagnétique de fond (par exemple, expériences d'interférométrie en laboratoire ou dans l'espace comme LISA). 3. pour les théories non linéaires, hors SME, analyser l'existence d'une masse effective. 4. trouver des solutions de l'équation d'onde de Broglie-Proca (type Klein-Gordon) avec un terme source singulier, décrivant un décalage de fréquence même en l'absence d'un champ de fond. 5. étudier les interactions non linéaires (dédoublement, fusion, photon-photon) avec des photons massifs.

Astrophysical observations are mainly based on electromagnetic signals, read with Maxwell's theory, linear and without photonic mass, possibly approximating a larger theory, such as Newtonian gravity for general relativity. We examine Generalised Maxwellian Theories (GMT) that induce A) modifications of Maxwell's laws B) birefringence for which the refractive index depends on light polarisation and propagation direction C) a shift of the emission frequency of magnetars D) light dispersion for which the group velocity differs from c by a factor proportional to the inverse of the square of the frequency, impacting pulsar signals, Fast Radio Bursts (FRBs), multi-messenger astronomy and graviton mass estimates E) a frequency shift in the vacuum, due to the energy exchange between photon and background fields, causing the reinterpretation of the universe expansion and of dark energy. GMT are either massive (de Broglie-Proca, Bopp, Podolski, Stueckelberg and others) or non-linear (Born-Infeld, von Heisenberg-Euler and others). In modern particle physics, the Standard Model (SM), which respects Lorentz-Poincaré symmetry, does not explain the oscillations and masses of neutrinos, the matter-antimatter unbalance, and the dark universe. For the SM, the photon is the only free massless particle. Theories extending the SM based on symmetry breaking (SME theories) lead to an effective, gauge invariant, but anisotropic photon mass. The Doctorate student will 1. complete the identification of the modifications of Maxwell's laws in the GMT framework already started by the collaboration (e.g., the Ampère law for Cluster and MMS satellite data). 2. complete the identification of the variation in frequency Δf/f per metre in the GMT framework, due to the energy exchange between the photon and the background electromagnetic field (e.g., laboratory or space interferometry experiments as LISA). 3. for non-linear theories, outside SME, analyse the existence of an effective mass. 4. find solutions of the de Broglie-Proca wave equation (Klein-Gordon type) with a singular source term, describing a frequency shift even in the absence of a background field. 5. study non-linear interactions (photon splitting, merging, photon-photon) with massive photons.