[論文レビュー] Constraints on parity and Lorentz violations in gravity from GWTC-3 through a parametrization of modified gravitational wave propagations

Tao Zhu, Wen Zhao+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2023

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 8

ひとこと要約

この論文は修正された重力波伝播の普遍的パラメトリゼーションを導入し、GWTC-3データを用いてパリティ/ローレンツ違反を制約。いくつかのパラメータに対してこれまでで最も厳しい境界を得ており、ローレンツ破壊減衰の最初の境界も導出。

ABSTRACT

Gravitational wave (GW) observations provide sensitive tests of parity and Lorentz symmetries of gravity. Any violation of these fundamental symmetries induces possible deviations in the GW propagations. Through a systematic parametrization for characterizing possible derivations from GW propagations in general relativity, we construct the modified GW waveforms generated by the coalescence of compact binaries with the effects of the parity and Lorentz violations as predicted by many parity- and Lorentz-violating gravities and then analyze them with the open data of compact binary merging events detected by LIGO-Virgo-KAGRA Collaboration. No signature of gravitational parity and Lorentz violations are found for most GW events, thereby allowing us to place several of the most stringent constraints on parity and Lorentz violations in gravity and a first constraint on the Lorentz-violating damping effect in GW.

研究の動機と目的

• GW伝播の修正を多くの重力理論に横断的にテストするモデル非依存的な方法を動機づける。
• GRの偏差をGW伝播で捉える普遍的な4パラメータ框組（bar-nu, bar-mu, nu_A, mu_A）を開発する。
• パリティ/ローレンツ違反を含む修正GW波形を構築しGWTC-3データと比較する。
• 複数のGWイベントのベイズ解析からパリティ/ローレンツ違反スケールM_PVとM_LVの制約を導く。

提案手法

• パラメトリックなGW伝播方程式 h''_A + (2 + bar-nu + nu_A) H h'_A + (1 + bar-mu + mu_A) k^2 h_A = 0 を提案する。
• 円偏波に分解し、パリティ-違反振幅と位相を delta h_1, delta Psi_1 を用いて beta_nu, beta_mu および A_nu, A_mu で表現する。
• ローレンツ破壊減衰/分散を beta_bar_nu, beta_bar_mu および A_bar_nu, A_bar_mu でモデル化し、これを M_PV および M_LV に関連付ける。
• 修正波形 tilde{h}_A(f) = tilde{h}_A^{GR}(f) e^{rho_A delta h_1 + delta h_2} e^{i(rho_A delta Psi_1 + delta Psi_2)} を構築する。
• Bilby/Dynestyを用いたさまざまなテンプレートでGWTC-3イベントに対してベイズ推定を実行し、A_nu, A_mu, A_bar_nu, A_bar_mu の事後確率を取得し、これを M_PV, M_LV に換算する。

Figure 1: The posterior distributions for $M_{\rm PV}^{-\beta_{\nu}}$ with $\beta_{\nu}=1$ , $M_{\rm PV}^{-\beta_{\mu}}$ with $\beta_{\mu}=-1,3$ , $M_{\rm LV}^{-\beta_{\bar{\nu}}}$ with $\beta_{\mu}=2$ , and $M_{\rm LV}^{-\beta_{\bar{\mu}}}$ with $\beta_{\bar{\mu}}=2,4$ from selected GW events in th

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パリティ-破れている（振幅・速度の二色性）パラメータは現在のGWTC-3データ内で伝播に検出可能な痕跡を残すか。
• RQ2 ローレンツ破壊減衰/分散効果は観測されたGW信号に周波数依存の有意な署名を生じるか。
• RQ3 GWTC-3から得られるパリティ-破りスケール M_PV およびローレンツ破りスケール M_LV の最も厳しい境界は何か。
• RQ4 普遍的なパラメトリゼーションは広範な修正重力理論をGW観測と整合的に比較できるか。

主な発見

• GWTC-3データの試験ケース全体で重力パリティ/ローレンツ違反の有意な証拠はなし。
• M_PV および M_LV に対する組み合わせ90%境界は従来の結果を改善または同等で、特定の beta の選択肢（例：beta_nu=1, beta_mu=3, beta_bar_mu=4）で最も強い制約を得る。
• GWデータから初めてローレンツ破壊減衰（beta_bar_nu=2）の境界を導出。
• 探索したパラメータ空間に関して、現時点で最も包括的な修正GW伝播の制約を提供。
• 制約は広範な修正重力理論の結合定数への換算を可能にする。