New Ini(a(ves in Fermilab Par(cle Astrophysics (a.k.a. - PowerPoint PPT Presentation

New ¡Ini(a(ves ¡in ¡ ¡ Fermilab ¡Par(cle ¡Astrophysics ¡ (a.k.a. ¡non-­‑accelerator ¡physics) ¡ Aaron ¡S. ¡Chou ¡ Wilson ¡Fellow, ¡FNAL ¡ 2010 ¡Fermilab ¡Users ¡Mee(ng ¡

Energy ¡scales ¡of ¡interest ¡ ¡ Hubble: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡H 0 ¡= ¡10 -­‑33 ¡ eV ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ • Dark ¡Energy: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡M DE ¡= ¡(ρ DE ) ¡ ¼ ¡ ¡= ¡10 -­‑3 ¡eV ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡= ¡sqrt(H 0 ¡× ¡M pl ) ¡ ¡new ¡inflaton? ¡ • Electroweak: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡M EW ¡= ¡10 3 ¡GeV ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡≈ ¡sqrt(M DE ¡× ¡M pl ), ¡WIMPs? ¡ • Peccei-­‑Quinn: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡f PQ ¡= ¡10 9 -­‑10 13 ¡GeV ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Axion ¡DM? ¡ ¡TeV ¡transparency? ¡ • Gravity-­‑mediated ¡SUSY: ¡ ¡ ¡ ¡M gSUSY ¡= ¡10 11 ¡GeV ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡= ¡sqrt(M EW ¡× ¡M pl ) ¡ • Grand ¡Unifica(on: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡M GUT ¡= ¡10 15 ¡GeV ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡≈ ¡sqrt(H I ¡× ¡M pl ) ¡ ¡ ¡ Infla(on ¡scale? ¡ • Gravity: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡M pl ¡= ¡10 19 ¡GeV ¡ • Aaron ¡Chou ¡(FNAL) ¡ 2 ¡

Topics ¡for ¡this ¡talk ¡ 10 -­‑3 ¡ eV ¡dark ¡energy ¡via ¡SDSS, ¡DES, ¡laser ¡search, ¡ baryon ¡acous+c ¡oscilla+ons , ¡etc. ¡ asdf ¡ • ¡10 3 ¡GeV ¡dark ¡maber ¡direct ¡detec(on ¡ ¡10 5 ¡GeV ¡ cosmic ¡ray ¡showers ¡ 10 11 ¡GeV ¡ axion-­‑photon ¡oscilla+ons ¡ 10 16 ¡GeV ¡infla(on ¡via ¡ CMB ¡B-­‑modes ¡ 10 19 ¡GeV ¡ holographic ¡noise ¡ Aaron ¡Chou ¡(FNAL) ¡ 3 ¡

Probing ¡the ¡10 -­‑3 ¡eV ¡dark ¡energy ¡scale ¡ ¡ via ¡baryon ¡acous(c ¡oscilla(ons ¡ Aaron ¡Chou ¡(FNAL) ¡ 4 ¡

Baryon ¡Acous(c ¡Oscilla(ons ¡ The ¡1 st ¡CMB ¡acous(c ¡peak ¡is ¡imprinted ¡on ¡the ¡dark ¡maber ¡distribu(on ¡and ¡visible ¡ • in ¡the ¡distribu(on ¡of ¡baryons ¡which ¡fall ¡into ¡the ¡resul(ng ¡poten(al ¡wells. ¡ Standard ¡ 100 ¡Mpc ¡ ruler ¡ Aaron ¡Chou ¡(FNAL) ¡ 5 ¡

Dark ¡energy ¡by ¡Fourier ¡transforming ¡the ¡sky ¡ • BAO ¡give ¡a ¡standard ¡ruler ¡of ¡ =1 MHz 100Mpc ¡length. ¡ • ¡ ¡Detect ¡BAO ¡via ¡(redshiged) ¡21 ¡cm ¡ emission ¡of ¡neutral ¡Hydrogen. ¡ • ¡ ¡Measure ¡angular ¡scale ¡vs ¡redshig ¡ ully-Fisher to ¡map ¡out ¡of ¡the ¡expansion ¡history ¡ of ¡the ¡universe. ¡ • ¡ ¡CMB ¡= ¡snapshot ¡ • ¡ ¡BAO ¡= ¡movie ¡ Aaron ¡Chou ¡(FNAL) ¡ 6 ¡

Sensi(vity ¡to ¡vacuum ¡energy ¡ Large ¡Ω vacuum ¡ !"#$%&'()%*+,-)' !"#$%&'()%*+,-)' .+)-//",-%&+ .+)-//",-%&+ High ¡sta(s(cs ¡ !"##$%&'($ Aaron ¡Chou ¡(FNAL) ¡ 7 ¡

Auger: ¡Probing ¡E CM =100 ¡TeV ¡ hadronic ¡interac+ons ¡using ¡ • 91 ¡ins(tu(ons ¡in ¡17 ¡ 10 20 ¡ eV ¡ultra-­‑high-­‑energy ¡ countries. ¡ ¡ ¡ PASAG: ¡ ¡Auger ¡North ¡is ¡ • cosmic ¡rays ¡(UHECR) ¡ “shovel-­‑ready” ¡and ¡the ¡ world ¡is ¡looking ¡to ¡the ¡U.S. ¡ for ¡leadership ¡ Aaron ¡Chou ¡(FNAL) ¡ 8 ¡

Auger ¡North ¡will ¡provide ¡7x ¡the ¡data ¡rate ¡and ¡Northern ¡ hemisphere ¡coverage ¡for ¡a ¡variety ¡of ¡UHECR ¡studies ¡ State of Colorado Auger North: 4400 detectors Denver 1.41mi spacing 21,000 km 2 Auger North Colorado Springs Auger South: 1600 detectors 1.5 km Spacing Auger South 3000 km 2 Aaron ¡Chou ¡(FNAL) ¡ 9 ¡ to scale

A ¡New ¡Puzzle ¡in ¡Ultra-­‑High-­‑Energy ¡Cosmic ¡Rays ¡ GZK ¡cutoff ¡  ¡UHECR ¡are ¡protons ¡ 3 ¡degree ¡scale ¡anisotropy ¡  ¡UHECR ¡are ¡protons ¡ Small ¡shower ¡penetra(on ¡depth ¡implies ¡unusually ¡large ¡cross ¡sec(on, ¡and ¡variability ¡in ¡depth ¡ is ¡unusually ¡low ¡ ¡ ¡  ¡ ¡ ¡ New ¡interac+on ¡physics ¡at ¡100 ¡TeV ¡or ¡UHECR ¡are ¡Fe ¡nuclei??? ¡ 10 ¡

Probing ¡the ¡10 16 ¡GeV ¡scale: ¡ QUIET: ¡Search ¡for ¡B-­‑mode ¡polariza(on ¡in ¡the ¡CMB ¡ Manchester Chicago (KICP) Oslo Oxford Fermilab MPI-Bonn Stanford (KIPAC) KEK Caltech JPL Columbia Miami Princeton Chajnantor Plateau, Chile 11/12/09 ¡ FNAL ¡PAC ¡ 11

Coherent ¡detec(on ¡of ¡polarized ¡microwaves ¡ Curl-­‑like ¡paberns ¡imprinted ¡on ¡the ¡sky ¡ • from ¡primordial ¡gravita(onal ¡waves ¡ Power ¡spectrum ¡amplitude ¡directly ¡ • measures ¡the ¡energy ¡scale ¡of ¡cosmological ¡ infla(on ¡ Atacama ¡desert, ¡Chile ¡ Aaron ¡Chou ¡(FNAL) ¡ 12 ¡

Current* ¡Performance ¡ (noise, ¡duty ¡cycle, ¡1/f) ¡ Likely ¡Improvements ¡ Sensi(vity ¡to ¡the ¡tensor/scalar ¡ra(o ¡: ¡ 0.018 Δ r 0.005 13 ¡ Aaron ¡Chou ¡(FNAL) ¡

Amplitude ¡of ¡B-­‑mode ¡signal ¡(ed ¡to ¡physics ¡ of ¡infla(on ¡ Tensor/scalar ¡ra(o ¡ teaches ¡us ¡about ¡the ¡ GUT ¡scale ¡physics ¡ driving ¡infla(on. ¡ 4 ⎛ ⎞ V 1/ 4 r = 0.1 ⎜ ⎟ 3 × 10 16 GeV ⎝ ⎠ PASAG ¡recommends ¡HEP ¡support ¡of ¡QUIET ¡2 ¡under ¡all ¡ budget ¡scenarios. ¡ Febaruary ¡22, ¡2008 ¡ Scob ¡Dodelson ¡ 14 ¡

Interferometer ¡probe ¡of ¡the ¡Planck ¡scale ¡10 19 ¡GeV ¡ Aaron ¡Chou ¡(FNAL) ¡ 15 ¡

Entropy ¡S ¡= ¡M pl 2 ¡Area ¡/ ¡4 ¡ R. ¡Bousso ¡

Specific ¡idea ¡(Hogan): ¡ ¡add ¡a ¡new ¡commutator ¡ ¡ If ¡informa(on ¡stored ¡on ¡surface ¡ area , ¡not ¡volume, ¡let’s ¡postulate ¡a ¡new ¡ • commutator ¡of ¡ transverse ¡posi(on ¡operators: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ [x,y] ¡= ¡1/M pl 2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ for ¡a ¡wave ¡travelling ¡along ¡z. ¡ Since ¡commutators ¡specify ¡phase ¡space ¡volume ¡per ¡degree ¡of ¡freedom, ¡this ¡ • corresponds ¡to ¡the ¡black ¡hole ¡entropy ¡formula ¡ The ¡resul(ng ¡ini(al ¡minimum ¡uncertainty ¡in ¡transverse ¡coordinates ¡x, ¡y ¡naturally ¡ • grows ¡due ¡to ¡ diffrac,on ¡ in ¡standard ¡quantum ¡mechanics: ¡ ¡[x, ¡p x ]>1/2, ¡ ¡[y, ¡p y ]>1/2 ¡ Ini(al ¡size ¡of ¡the ¡transverse ¡posi(on ¡ uncertainty ¡= ¡10 -­‑33 ¡ cm ¡ Δx 0 ¡ = ¡1/M pl ¡ Let ¡this ¡uncertainty ¡grow ¡over ¡a ¡nice ¡long ¡ lever ¡arm ¡between ¡two ¡measurements ¡of ¡ the ¡same ¡transverse ¡posi(on ¡into ¡ something ¡detectable ¡(10 -­‑15 ¡ cm ¡for ¡ Travel ¡distance ¡L ¡ L=40m). ¡ or ¡travel ¡(me ¡ Aaron ¡Chou ¡(FNAL) ¡ 17 ¡

New ¡effect ¡predicted, ¡with ¡no ¡free ¡theore+cal ¡parameters! ¡ • The ¡resul+ng ¡ ¡phase ¡noise ¡is ¡detectable! ¡ • 18 ¡

Encoding ¡of ¡space-­‑(me ¡coordinates ¡at ¡ Planck ¡wavelength ¡gives ¡i rreducible ¡ noise ¡ in ¡gravita(onal ¡wave ¡ interferometers, ¡ possibly ¡already ¡ detected ¡by ¡GEO600 ¡ ¡ (Hogan) ¡ Holo. ¡noise ¡ Aaron ¡Chou ¡(FNAL) ¡ 19 ¡ 19 ¡

The ¡Proposed ¡40m ¡Fermilab ¡Holometer ¡ Space-­‑(me ¡noise ¡is ¡expected ¡to ¡be ¡ correlated ¡for ¡two ¡interferometers ¡ occupying ¡the ¡same ¡space-­‑(me. ¡ 5-­‑sigma ¡detec+on ¡of ¡correlated ¡ holographic ¡noise ¡within ¡hours. ¡ Experimental ¡handles: ¡ 1) Spectrum ¡of ¡noise ¡ 2) Fall-­‑off ¡of ¡noise ¡as ¡ the ¡two ¡devices ¡are ¡ separated ¡spa(ally ¡ Aaron ¡Chou ¡(FNAL) ¡ 20 ¡

History ¡of ¡interferometry ¡ Aaron ¡Chou ¡(FNAL) ¡ 21 ¡

Probing ¡the ¡10 11 ¡GeV ¡scale ¡with ¡lasers ¡ Chameleon ¡Search ¡(CHASE): ¡ ¡ • – ¡Fermilab, ¡U.Chicago, ¡Cambridge ¡ • Resonantly ¡Enhanced ¡Axion-­‑Photon ¡Regenera(on ¡(REAPER): ¡ – Fermilab, ¡U.Florida, ¡U.Michigan, ¡Naval ¡Postgraduate ¡school ¡ Aaron ¡Chou ¡(FNAL) ¡ 22 ¡