Cold atom dynamics in a quantum optical lattice potential

We study a generalized cold atom Bose Hubbard model, where the periodic optical potential is formed by a cavity field with quantum properties. On the one hand the common coupling of all atoms to the same mode introduces cavity mediated long range atom-atom interactions and on the other hand atomic backaction on the field introduces atom-field entanglement. This modifies the properties of the associated quantum phase transitions and allows for new correlated atom-field states including superposition of different atomic quantum phases. After deriving an approximative Hamiltonian including the new long range interaction terms we exhibit central physical phenomena at generic configurations of few atoms in few wells. We find strong modifications of population fluctuations and next-nearest neighbor correlations near the phase transition point.Comment: 4 pages, 5 figures, corrected typo

Model-independent WIMP Characterisation using ISR

The prospects of measuring the parameters of WIMP dark matter in a model independent way at the International Linear Collider are investigated. The signal under study is direct WIMP pair production with associated initial state radiation. The analysis is performed in full simulation of the ILD detector concept. With an integrated luminosity of L = 500 fb-1 and realistic beam polarizations the helicity structure of the WIMP couplings to electrons can be determined, and the masses and cross sections can be measured to the percent level. The systematic uncertainties are dominated by the polarization measurement and the luminosity spectrum.Comment: 7 pages, 4 figures, International Workshop on Future Linear Colliders LCWS1

Measurement of radiative neutralino production

We perform the first experimental study with full detector simulation for the radiative production of neutralinos at the linear collider, at sqrt{s} = 500 GeV and realistic beam polarizations. We consider all relevant backgrounds, like the Standard Model background from radiative neutrino production. The longitudinal polarized beams enhance the signal and simultaneously reduce the background, such that statistical errors are significantly reduced. We find that the photon spectrum from the signal process can be well isolated. The neutralino mass and the cross section can be measured at a few per-cent level, with the largest systematic uncertainties from the measurement of the beam polarization and the beam energy spectrum.Comment: 6 pages, 2 figures, to appear in the proceedings of the 2011 International Workshop on Future Linear Colliders (LCWS11), Sept. 26-30, Granada, Spai

Present and future sensitivity of the Antarctic surface mass balance to oceanic and atmospheric forcings: insights with the regional climate model MAR

Recent Global Warming has caused widespread ice losses from the Antarctic Ice Sheet (AIS) leading to an increase in mean sea level. By influencing the ice dynamics and the mass of water that accumulates on the continent, the surface mass balance (SMB, i.e, the difference between snow accumulation and ablation at the surface of the ice sheet) contributes to sea-level variations. A better knowledge of how present and future SMB will change is therefore needed to refine sea-level-rise estimates. With the aim of identifying the driving processes from different components of the climate system (from the surface of the ocean to high-elevation clouds), we reconstruct and project the Antarctic SMB using the regional climate model MAR developed at ULiège, over 1980--2100. The results of MAR have been first compared to diverse observations to evaluate its performance. We gathered observations of several types (near-surface climate and snow accumulation) to guarantee the robustness of our results and conclusions based on our climate modeling. A first objective of this thesis was to determine to what extent the recent changes at the ocean surface can exert a direct feedback on the atmosphere and SMB. Our simulations with perturbed sea-ice concentration and sea-surface temperature around Antarctica reveal that strong and persistent katabatic winds prevent most atmospheric changes induced by the ocean to penetrate inland. This suggests a limited influence of the ocean surface on the Antarctic SMB. We focused afterwards on the sensitivity of the SMB to atmospheric warmings projected by global models using high-emission scenarios (RCP8.5 and ssp585). Higher temperatures are projected to increase SMB on the grounded ice as a result of stronger snowfall while the future SMB over the ice shelves should be dominated by higher meltwater-runoff values (compromising the stability of ice shelves) and is consequently projected to decrease. Leaving aside the role of the ocean on the thinning of ice shelves, increasing surface melt should however remain weak under the Paris Agreement limiting potential ice-shelf collapses and accelerated Antarctic ice losses. However, our results suggest a large spread in melt increase over the ice shelves during the 21st century resulting in large uncertainties in their potential disappearance. Given the important role of ice shelves in limiting the acceleration of Antarctic ice losses (as they restrain the grounded ice to flow into the ocean), the third subject of this thesis has been devoted to the physical drivers explaining differences in increased summer melt over the Antarctic ice shelves. Although the melt increase results from higher greenhouse-gas concentrations, differences in projected melt increases arises from liquid-containing clouds. These clouds re-emits more longwave energy towards the surface, increasing melt over the ice shelves and later favouring absorption of solar energy again strengthening melt. In conclusion, we investigate the sensitivity of the Antarctic SMB to different components of the climate system over 1981--2100. Uncertainties linked with the grounded Antarctic SMB essentially depend on the projected increased rates in snowfall associated with higher temperatures while uncertainties in the ice-shelf SMB decrease are related to cloud properties with more liquid-containing clouds leading to a stronger decrease of the ice-shelf SMB

Projections du bilan de masse en surface en Antarctique à l’horizon 2100

peer reviewe

High resolution Surface Mass Balance over the Greenland Ice Sheet with the MAR model and an online downscaling method

Durant les vingt dernières années, l’inlandsis du Groenland a progressivement diminué en taille suite à une augmentation du ruissellement de l’eau de fonte en été sans compensation par une augmentation des précipitations. De plus, le taux de perte de la glace s’est aussi accéléré, ce qui a comme conséquence une élévation plus rapide du niveau général des mers et davantage d’eau douce rejetée dans l’océan. Les principales incertitudes lorsqu’on estime le bilan de mase en surface (BMS) de l’inlandsis du Groenland proviennent des marges où plusieurs processus particuliers ont lieu. Par exemple, la rétroaction de l’albédo de la neige et le regel de l’eau fondue en surface peut renforcer ou au contraire diminuer la fonte. De plus, les fortes pentes en bordure d’inlandsis sont responsables de la distribution spatiale des précipitations qui correspondent à l’accumulation de masse de l’inlandsis. En modélisation, cela signifie qu’il est nécessaire d’utiliser des modèles avec une (très) haute résolution pour résoudre ces caractéristiques, ce qui est très couteux en temps de calcul. C’est pourquoi cette étude présente l’évaluation d’une nouvelle méthode de régionalisation couplée dans le modèle MAR qui permet d’utiliser une grille à haute résolution dans le module de surface (SISVAT) couplé au module atmosphérique de MAR utilisant une résolution deux fois plus basse. La méthode corrige l’humidité spécifique et la température de proche-surface de MAR à l’aide d’un gradient d’altitude avant de forcer le module de surface. Des simulations ont été lancées avec deux résolutions différentes et sont forcées avec les réanalyses ERA-Interim sur la période allant de 1979 à 2014. La régionalisation couplée est évaluée par rapport à la base de données PROMICE et montrent de meilleurs résultats avec les observations de BMS sur l’inlandsis par rapport aux résultats de MAR dans sa version standard. La comparaison de la régionalisation couplée à une régionalisation a posteriori a révélé peu de différence significative sauf près de la ligne d’équilibre. Seule la méthode couplée permet de faire regeler entièrement l’eau fondue et la pluie en surface tandis que ce processus n’est qu’implicitement pris en compte dans la méthode a posteriori. Comparé à MAR dans sa version standard à résolution équivalente, les résultats régionalisés de façon couplée montrent une surestimation de l’accumulation au centre de l’inlandsis et une surestimation de l’ablation aux marges dus aux biais que la méthode implique sur les précipitations renforçant la rétroaction de l’albédo de la neige. En outre, les gradients de température sont légèrement trop importants entraînant plus de fonte. En conclusion, la méthode de régionalisation couplée doit encore être améliorée en intégrant une correction des précipitations. Pour ce qui est du couplage entre modèle de dynamique glaciaire à très haute résolution et modèle climatique à haute résolution, la méthode a posteriori reste suffisante

Flexible generation of correlated photon pairs in different frequency ranges

The feasibility to generate correlated photon pairs at variable frequencies is investigated. For this purpose, we consider the interaction of an off-resonant laser field with a two-level system possessing broken inversion symmetry. We show that the system generates non-classical photon pairs exhibiting strong intensity-intensity correlations. The intensity of the applied laser tunes the degree of correlation while the detuning controls the frequency of one of the photons which can be in the THz-domain. Furthermore, we observe the violation of a Cauchy-Schwarz inequality characterizing these photons.Comment: 5 pages, 4 figure

Sensitivity of arctic surface temperatures to sea ice thickness changes using the regional climate model mar

Since the beginning of this century, the Arctic Ocean has experienced a rapid decrease in sea ice extent, which strongly contributes to a pronounced regional climate warming known as “Arctic Amplification”, i.e. two times as large as the global average. Sea ice concentration (SIC) and sea ice thickness (SIT) mainly control changes in Arctic Ocean surface temperatures by insulating the warmer ocean water from the colder air above. Changes in atmospheric temperatures could perturb the Arctic climate, by affecting the regional atmospheric circulation. In most regional climate models (RCMs), SIC is prescribed from climate reanalyses whereas SIT is fixed in space and time, despite observations of large seasonal variations. Here, we compare climate simulations from the regional climate model MAR forced by the ERA-Interim and OSTIA reanalyses, using fixed SIT, to MAR simulations where SIT and SIC are prescribed by the GLORYS2V4 data set. The set of simulations covers the Arctic-CORDEX domain spanning the whole Arctic Ocean at a spatial resolution of 50 km for the period 2000-2015. This study aims to (1) improve the representation of surface temperatures, wind speed and direction within the Arctic boundary layer simulated by MAR, and to (2) estimate the sensitivity of Arctic surface temperatures and atmospheric circulation to prescribed SIT in MAR. Although our findings highlight the local sensitivity of surface temperatures to SIT changes, they also reveal that there is no clear benefit of using space and time varying SIT data sets to force MAR at 50 km resolution.Depuis le début de ce siècle, l’Océan Arctique a connu une diminution rapide de son étendue de glace de mer, entrainant un réchauffement climatique régional appelé "Amplification Arctique", i.e. deux fois plus marqué que le réchauffement global. En jouant le rôle d’isolant entre l’océan (plus chaud) et l’atmosphère, l’épaisseur et la concentration de glace de mer contrôlent la température à la surface de l’Océan Arctique. Une modification de la température de surface pourrait entrainer une perturbation du système climatique, par le biais de son influence sur la circulation atmosphérique régionale. Dans la plupart des modèles climatiques régionaux (RCMs), la concentration de glace de mer est prescrite par des réanalyses, tandis que l’épaisseur de glace de mer est fixe dans le temps et l’espace, malgré sa variation saisonnière importante. Dans cette étude, on comparera des simulations du MAR forcé par ERA-intérim et OSTIA, i.e utilisant une épaisseur de glace de mer fixe, avec des simulations ou l’épaisseur et la concentration de glace de mer sont prescrites par GLORYS2v4. L’ensemble des simulations concerne le domaine CORDEX-Arctique et couvre la période 2000-2015. L’objectif de ce travail est (i) d’améliorer la représentation de la température de surface, de la vitesse et direction du vent dans la couche limite atmosphérique du MAR en Arctique et; (ii) d’estimer la sensibilité de la température de surface et de la circulation atmosphérique à différentes épaisseurs de glace de mer prescrites dans le MAR. Bien que nous démontrions la sensibilité locale de la température de surface à un changement d’épaisseur de glace de mer (fixe), nous montrons aussi qu’il n’y a pas de bénéfice clair quant à l’utilisation de l’épaisseur de glace de mer variable dans le temps et l’espace comme forçage à la surface du MAR à 50 km de résolution