[論文レビュー] Asteroid astrometry as a fifth-force and ultralight dark sector probe

Yu-Dai Tsai, Youjia Wu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2021

Astro and Planetary Science参考文献 109被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、超軽量なダークセクター粒子（例：ダークフォトンやバリオンに結合するスカラー）によって媒介される長距離型の第五力を探るため、小惑星の測位観測を用いる手法を提案する。高精度な光学およびレーダ観測データを用いて9個の近地小惑星の軌道進化を分析することで、ねじれ平衡実験と同等の感度を達成し、特定の質量範囲（10⁻²¹–10⁻¹⁵ meV）ではさらなる向上が期待される。また、数百万個の小惑星や海王星外天体の将来的な研究を促進する。

ABSTRACT

We study for the first time the possibility of probing long-range fifth forces utilizing asteroid astrometric data, via the fifth force-induced orbital precession. We examine nine Near-Earth Object (NEO) asteroids whose orbital trajectories are accurately determined via optical and radar astrometry. Focusing on a Yukawa-type potential mediated by a new gauge field (dark photon) or a baryon-coupled scalar, we estimate the sensitivity reach for the fifth-force coupling strength and mediator mass in the mass range $m \simeq 10^{-21}-10^{-15}\,{ m eV}$. Our estimated sensitivity is comparable to leading limits from torsion balance experiments, potentially exceeding these in a specific mass range. The fifth forced-induced precession increases with the orbital semi-major axis in the small $m$ limit, motivating the study of objects further away from the Sun. We discuss future exciting prospects for extending our study to more than a million asteroids (including NEOs, main-belt asteroids, Hildas, and Jupiter Trojans), as well as trans-Neptunian objects and exoplanets.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える長距離型の第五力を探るため、小惑星の測位観測を新たなプローブとして検討すること。
• 超軽量なダークフォトンやスカラー場によって媒介されるヨーク型相互作用に対する、既存の小惑星軌道データの感度を評価すること。
• 10⁻²¹–10⁻¹⁵ meVの範囲における、第五力の結合定数および媒介粒子質量を制約する現在の測位データの到達範囲を特定すること。
• より大きな小惑星および海王星外天体の集団へのこの手法の応用可能性を同定すること。

提案手法

• 光学およびレーダ観測による高精度測位データを用いて、9個の近地小惑星におけるヨーク型第五力に起因する軌道進化を分析する。
• 第五力を、新たなゲージボソン（ダークフォトン）またはバリオン物質に結合するスカラー場によって媒介される長距離相互作用としてモデル化する。
• 進化の半長径依存性を活用し、小質量媒介粒子の極限（m ≲ 10⁻¹⁵ meV）において感度を向上させる。
• 予測された進化量と観測誤差を比較することで、結合定数および媒介粒子質量の感度到達範囲を推定する。
• 既存のねじれ平衡実験と比較して、本手法の性能を評価し、競争力のある制約を確立する。
• 主小惑星帯小惑星、ヒルダ群、木星トロイアン、および海王星外天体を含む、より大きな集団への拡張を提示する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 小惑星の測位観測は、超軽量なダークセクター粒子に起因する第五力に起因する軌道進化を検出可能か？
• RQ2 10⁻²¹–10⁻¹⁵ meVの範囲における、第五力の結合定数および媒介粒子質量に対する、現在の小惑星データの感度到達範囲は何か？
• RQ3 第五力に起因する進化は、軌道の半長径にどのように依存するか？また、遠方の天体において感度が向上するか？
• RQ4 本手法による測位制約は、既存のねじれ平衡実験からの制約と比べてどうか？
• RQ5 より大きな小惑星および海王星外天体の集団への分析を拡張することで、制約の改善が期待できるか？

主な発見

• 10⁻²¹–10⁻¹⁵ meVの範囲における媒介粒子質量に対して、本手法は、最先端のねじれ平衡実験と同等の第五力結合定数の感度を達成する。
• 特定の質量範囲では、大きな軌道における進化の増大により、測位手法がねじれ平衡実験の感度を上回る可能性がある。
• 小質量極限において、第五力に起因する進化は、軌道の半長径に比例して増大し、遠方の小惑星の研究が有利である。
• 高精度測位データを用いた9個の近地小惑星の分析は、長距離型第五力の検出に実現可能なベースラインを提供する。
• 主小惑星帯天体、ヒルダ群、木星トロイアンを含む100万個以上の小惑星への拡張は、より良い制約への有望な道筋を示す。
• 将来的に海王星外天体や系外惑星系への応用を検討することで、本天体物理学的プローブの到達範囲をさらに拡大できる。