The dynamical Casimir effect in braneworlds

In braneworld cosmology the expanding Universe is realized as a brane moving through a warped higher-dimensional spacetime. Like a moving mirror causes the creation of photons out of vacuum fluctuations, a moving brane leads to graviton production. We show that, very generically, Kaluza-Klein (KK) particles scale like stiff matter with the expansion of the Universe and can therefore not represent the dark matter in a warped braneworld. We present results for the production of massless and KK gravitons for bouncing branes in five-dimensional anti de Sitter space. We find that for a realistic bounce the back reaction from the generated gravitons will be most likely relevant. This letter summarizes the main results and conclusions from numerical simulations which are presented in detail in a long paper [M.Ruser and R. Durrer, Phys. Rev. D 76, 104014 (2007), arXiv:0704.0790]Comment: misprints corrected, matches published versio

Dynamical Casimir effect for gravitons in bouncing braneworlds

We consider a two-brane system in a five-dimensional anti-de Sitter spacetime. We study particle creation due to the motion of the physical brane which first approaches the second static brane (contraction) and then recedes from it(expansion). The spectrum and the energy density of the generated gravitons are calculated. We show that the massless gravitons have a blue spectrum and that their energy density satisfies the nucleosynthesis bound with very mild constraints on the parameters. We also show that the Kaluza-Klein modes cannot provide the dark matter in an anti-de-Sitter braneworld. However, for natural choices of parameters, backreaction from the Kaluza-Klein gravitons may well become important. The main findings of this work have been published in the form of a Letter [R. Durrer and M. Ruser, Phys. Rev. Lett. 99, 071601 (2007), arXiv:0704.0756].Comment: 40 pages, 34 figures, improved and extended version, matches published versio

Graviton production in anti-de Sitter braneworld cosmology: A fully consistent treatment of the boundary condition

In recent work by two of us, [Durrer & Ruser, PRL 99, 071601 (2007); Ruser & Durrer PRD 76, 104014 (2007)], graviton production due to a moving spacetime boundary (braneworld) in a five dimensional bulk has been considered. In the same way as the presence of a conducting plate modifies the electromagnetic vacuum, the presence of a brane modifies the graviton vacuum. As the brane moves, the time dependence of the vacuum leads to particle creation via the so called 'dynamical Casimir effect'. In our previous work a term in the boundary condition which is linear in the brane velocity has been neglected. In this work we develop a new approach which overcomes this approximation. We show that the previous results are not modified if the brane velocity is low.Comment: 13 pages, 6 figures, added a clarifying paragraph about the setup, the brane motion adapted w.r.t the version published in PR

On graviton production in braneworld cosmology

We study braneworlds in a five dimensional bulk, where cosmological expansion is mimicked by motion through AdS$_5$. We show that the five dimensional graviton reduces to the four dimensional one in the late time approximation of such braneworlds. Inserting a fixed regulator brane far from the physical brane, we investigate quantum graviton production due to the motion of the brane. We show that the massive Kaluza-Klein modes decouple completely from the massless mode and they are not generated at all in the limit where the regulator brane position goes to infinity. In the low energy limit, the massless four dimensional graviton obeys the usual 4d equation and is therefore also not generated in a radiation-dominated universe.Comment: 9 pages, minor changes, references correcte

Vibrating Cavities - A numerical approach

We present a general formalism allowing for efficient numerical calculation of the production of massless scalar particles from vacuum in a one-dimensional dynamical cavity, i.e. the dynamical Casimir effect. By introducing a particular parametrization for the time evolution of the field modes inside the cavity we derive a coupled system of first-order linear differential equations. The solutions to this system determine the number of created particles and can be found by means of numerical methods for arbitrary motions of the walls of the cavity. To demonstrate the method which accounts for the intermode coupling we investigate the creation of massless scalar particles in a one-dimensional vibrating cavity by means of three particular cavity motions. We compare the numerical results with analytical predictions as well as a different numerical approach.Comment: 28 pages, 19 figures, accepted for publication in J. Opt. B: Quantum Semiclass. Op

Exact closed form analytical solutions for vibrating cavities

For one-dimensional vibrating cavity systems appearing in the standard illustration of the dynamical Casimir effect, we propose an approach to the construction of exact closed-form solutions. As new results, we obtain solutions that are given for arbitrary frequencies, amplitudes and time regions. In a broad range of parameters, a vibrating cavity model exhibits the general property of exponential instability. Marginal behavior of the system manifests in a power-like growth of radiated energy.Comment: 17 pages, 7 figure

Einfluss der Umnutzung eines 20-jährigen Miscanthusbestands auf die Humusgehalte und -qualität einer Parabraunerde

In einem Feldversuch nahe Freiburg soll der Einfluss einer ackerbaulichen Nutzung nach Miscanthusumbruch auf die Humusgehalte und –qualität einer Parabraunerde untersucht werden. In einem ersten Schritt wurden die Corg-Gehalte einer 20-jährigen Miscanthusfläche räumlich hoch aufgelöst bis 60 cm Tiefe untersucht und mit den Corg-Gehalten einer angrenzenden Ackerfläche verglichen. Mit 75,6 t C ha-1 wurden auf der Miscanthusfläche um 20 Tonnen höhere Corg-Gehalte gemessen als auf der benachbarten Ackerfläche. Dies entspricht somit einer jährlichen Zunahme der Corg-Gehalte von 1 t a-1. Die größte C-Zunahme wurde dabei in den obersten 10 Zentimeters des Bodens ermittelt. In einem Brutversuch mit Oberboden der beiden Versuchsflächen (25°C, 34 Tage) wurden bei Miscanthus 4,3% des organischen C als CO2 freigesetzt. Im Ackerboden waren dies lediglich 2,3% des organischen C. Das deutet auf einen höheren Anteil an labilem C bei Miscanthus hin und wurde durch einen ca. 3-fach höheren Anteil an heißwasserlöslichem C des Miscanthusbodens gegenüber dem Ackerboden bestätigt. 12C/13C-Isotopenmessungen ergaben zudem, dass das im Brutversuch freigesetzte CO2 nahezu vollständig Miscanthus-bürtig war. Auf dem Miscanthusfeld wurde 2015 ein Parzellenversuch etabliert. Auf vier Parzellen wird Miscanthus weiterhin genutzt, auf weiteren vier Parzellen wurde der Miscanthus im Frühjahr 2015 umgebrochen und eine Kleegrasmischung eingesät. Während sich die Corg-Gehalte der Miscanthusparzellen zwischen Frühjahr 2015 und Frühjahr 2016 nicht veränderten, wurde in der Umbruchvariante eine Abnahme der Corg-Gehalte um 2,8 t ha-1 ermittelt

Modellbasierte Analyse des Stoffumsatzes von Mageren Flachland-Mähwiesen in Baden-Württemberg im Critical-Loads-Konzept

Critical Loads für eutrophierenden Stickstoff werden anhand der Simple-Mass-Balance (SMB) Methode berechnet und dienen etwa in FFH-Verträglichkeitsprüfungen dem Schutz empfindlicher Ökosysteme (Anhang I FFH-Richtlinie). Die auf Basis der SMB ermittelten standortspezifischen Spannen für Critical Loads sind auf Grund von Unsicherheiten sowohl in den Eingangsgrößen als auch in den empirisch regelbasierten Methoden zur Berechnung der einzelnen Summanden in der SMB wenig vertrauenswürdig. Im Rahmen des von der Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg (LUBW) koordinierten Forschungsprojektes „Analyse und Bewertung des Stickstoffhaushalts Baden-Württemberg (AG Critical Loads)“ soll deshalb die Schaffung einer Datenbasis für eine Weiterentwicklung der bisherigen Ansätze für den in Baden-Württemberg weit verbreiteten FFH-Lebensraumtyp 6510 „Magere Flachland-Mähwiesen“ erfolgen. Einen möglichen Weg hin zu belastbaren Abschätzverfahren für die Summanden der SMB-Formel stellen dynamische Simulationen der am N-Umsatz beteiligten Stoffflüsse mit Hilfe prozessbasierter Modelle dar. Ziel der vorgestellten Studie ist es, mit Hilfe des Modellpakets Expert-N standortspezifisch für ausgewählte Flachland-Mähwiesen die mehrjährigen Mittelwerte der Mineralisierung, Denitrifikation, Immobilisierung und Nitratauswaschung zu berechnen. Als experimentelle Datengrundlage für die Modellierung werden Feldmessungen zur Abschätzung des N-Umsatzes in Abhängigkeit von Standortbedingungen und Erhaltungszustand der Vegetation durchgeführt. Dazu wird auf 4 extensiv genutzten Grünlandflächen in FFH-Gebieten über 2 Jahre ein intensives Monitoring der Stickstoffflüsse im Boden sowie begleitende Messungen zur Bodenfeuchte, -temperatur und N-Deposition durchgeführt. Der Fokus liegt auf der in situ Quantifizierung der Bruttoraten des N-Umsatzes (Mineralisierung, Nitrifizierung) als wichtige Parameter für die Modellierung des N-Kreislaufs. Die aus der prozessbasierten Modellierung gewonnenen Mittelwerte werden mit den nach den derzeitigen SMB-Ansatz berechneten Ergebnissen verglichen und diskutiert. Die Ergebnisse der Studie werden so zur Entwicklung zuverlässigerer Berechnungsmethoden für Critical Loads in Baden-Württemberg beitragen. Auf dem Poster werden die methodischen Ansätze sowie erste Ergebnisse des Versuchs vorgestellt

Einfluss von N-Düngermenge und Nitrifikationshemmung auf die direkten N2O-Emissionen eines gemüsebaulich genutzten Ackerbodens

Lachgas (N2O) ist ein klimarelevantes Spurengas, es trägt zum Ozonabbau in der Stratosphäre sowie zu 8% am anthropogenen Treibhauseffekt bei und stammt zum Großteil aus landwirtschaftlich genutzten Böden. Ziel dieser Studie war die Ermittlung belastbarer annueller Daten zur N2O-Freisetzung aus gemüsebaulich genutzten Ackerböden Mitteleuropas, d.h. aus einer Gegend mit ausgeprägten Frost-Tau-Zyklen. Ferner sollte das Potential zur Minderung der direkten N2O-Emissionen untersucht werden. Hierzu wurde sowohl eine reduzierte Düngung als auch der Zusatz eines Nitrifikationshemmstoffs getestet. Die Beiträge von N-Dünger und Ernterückständen an den untersuchten Emissionen wurden mittels 15N-markiertem Dünger ermittelt. Die Emissionsfaktoren der verschiedenen Düngerstufen lagen zwischen 0,9 und 1,7. Durch Düngerreduktion bzw. Zusatz von Nitrifikationshemmstoff wurde bei konstantem Ertrag die N2O-Freisetzung um 24 bzw 43% reduziert. Die Blumenkohlernterückstände verursachten 21% der Jahresemissionen und sorgten für hohe Winteremissionen, während Tau-Peaks kaum ausgeprägt waren

Dynamical Casimir Effect with Semi-Transparent Mirrors, and Cosmology

After reviewing some essential features of the Casimir effect and, specifically, of its regularization by zeta function and Hadamard methods, we consider the dynamical Casimir effect (or Fulling-Davis theory), where related regularization problems appear, with a view to an experimental verification of this theory. We finish with a discussion of the possible contribution of vacuum fluctuations to dark energy, in a Casimir like fashion, that might involve the dynamical version.Comment: 11 pages, Talk given in the Workshop ``Quantum Field Theory under the Influence of External Conditions (QFEXT07)'', Leipzig (Germany), September 17 - 21, 200