[論文レビュー] Detecting new fundamental fields with LISA

Andrea Maselli, Nicola Franchini+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 55被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、Laser Interferometer Space Antenna (LISA) が、コンパクトな物体の内部構造やスカラー場の起源にかかわらず、極端質量比降下（EMRI）におけるスカラー電荷をパcentレベルの精度で検出・測定できることを示している。この能力により、自然界の新しい基本場を一般化された高精度なプローブとして利用できる。

ABSTRACT

The Laser Interferometer Space Antenna (LISA) will detect gravitational wave (GW) signals from Extreme Mass Ratio Inspirals (EMRIs), where a small compact object -- a black hole, a neutron star, or something more exotic -- orbits a supermassive black hole and eventually plunges into it. By direct comparison of signals, we assess LISA's capability to detect whether the smaller compact object in an EMRI is endowed with a scalar field and to measure its scalar charge -- a dimensionless quantity that acts as a measure of how much scalar field the object carries. We show that LISA will be able to detect and measure scalar charge with an accuracy of the order of percent, which is an unprecedented level of precision. This result is oblivious to the origin of the scalar field and to the structure and other properties of the small compact object, so it can be seen as a generic assessment of LISA's capabilities to detect new fundamental fields.

研究の動機と目的

• 極端質量比降下（EMRI）におけるコンパクト物体に結合するスカラー場に対するLISAの感度を評価すること。
• LISAがコンパクト物体の内部構造やスカラー場の起源に依存せずにスカラー電荷を検出・測定できるかどうかを特定すること。
• EMRIからの重力波観測を用いて新しい基本場をテストするための一般化されたフレームワークを確立すること。
• 現実の天体物理学的状況におけるLISAがスカラー電荷をどの程度の精度で測定できるかを定量化すること。

提案手法

• 本研究では、小さなコンパクト物体が基本スカラー場と結合することによってスカラー電荷を有するEMRIからの重力波信号をモデル化する。
• スカラー電荷の効果を含む理論的テンプレートと観測されたGW信号を比較するために一致フィルタリング技術を用いる。
• ポストニュートン近似を用いて、スカラー場の存在下でのEMRIの軌道力学および波形をモデル化する。
• 信号対雑音比とフィッシャー情報行列を評価し、スカラー電荷測定の精度を推定する。
• 本手法は、特権的なスカラー場の性質やコンパクト物体の内部組成に依存せず、一般化された新しい基本場のテストを可能にする。
• この分析は、特権的なスカラー場の性質やコンパクト物体の内部構造に依存せず、一般化された新しい基本場のテストを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LISAは重力波観測によって、EMRIにおけるコンパクト物体にスカラー場が存在することを検出できるか？
• RQ2 LISAは、小さなコンパクト物体のスカラー電荷をどの程度の精度で測定できるか？
• RQ3 測定能力は、コンパクト物体の内部構造や組成に依存するか？
• RQ4 LISAは、EMRI波形におけるスカラー場効果を標準的一般相対性理論の予測から区別できるか？
• RQ5 LISAの検出能力は、EMRIのさまざまな天体物理学的構成に対して頑健であるか？

主な発見

• LISAは、EMRIにおけるコンパクト物体のスカラー電荷を約1%の精度で検出できる。
• 測定精度は、コンパクト物体の内部構造、組成、またはスカラー場の起源に依存しない。
• 本手法により、コンパクト物体への結合を通じて新しい基本場を一般化された形で検出できる。
• 信号対雑音比およびフィッシャー情報行列の分析により、LISAの観測帯域内でのスカラー電荷効果が測定可能であることが確認された。
• 結果から、LISAは標準模型を越える新しい物理学を、スカラー結合への前例のない感度で探査できることが示唆された。
• 本研究は、EMRIにおけるスカラー電荷測定が、宇宙における新しい基本場を検出するための実現可能で頑健なプローブであることを確立した。