[論文レビュー] Gravitational-wave detectors as particle-physics laboratories: Constraining scalar interactions with boson-star binaries

Costantino Pacilio, Massimo Vaglio+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2020

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、四次自己相互作用を有するボソン星連星に対する、初めての整合的波形モデルを提示する。このモデルは、スピンに起因する四極モーメントと潮汐歪度効果を、一つの結合定数を用いて統合している。本研究では、将来的な検出器（エイントスタイン・テレビジオンとLISA）がボソン場の自己相互作用に対して強く補完的な制約を提供する可能性があることを示している。一方、現在の機器では、関連周波数帯域における感度が限られているため、わずかな感度しか得られない。

ABSTRACT

Gravitational-wave (GW) detections of binary neutron star coalescences play a crucial role to constrain the microscopic interaction of matter at ultrahigh density. Similarly, if boson stars exist in the universe their coalescence can be used to constrain the fundamental coupling constants of a scalar field theory. We develop the first coherent waveform model for the inspiral of boson stars with quartic interactions. The waveform includes coherently spin-induced quadrupolar and tidal-deformability contributions in terms of the masses and spins of the binary and of a single coupling constant of the theory. We show that future instruments such as the Einstein Telescope and LISA can provide strong, complementary bounds on bosonic self-interactions, while the constraining power of current detectors is marginal.

研究の動機と目的

• 四次自己相互作用を有するボソン星連星のための整合的波形モデルを開発し、高精度な重力波天文学を可能にする。
• 質量、スピン、および一つの結合定数を用いて、スピンに起因する四極モーメントと潮汐歪度効果を統合する。
• 現在および将来的な重力波検出器がスカラー場結合定数をどの程度制約できるかを評価する。
• ボソン星合体が、標準模型を超える素粒子物理学の探査にどのように寄与できるかを検討する。
• 将来的な観測所からの重力波データを用いたスカラー場理論の検証のための理論的枠組みを提供する。

提案手法

• ボソン星連星におけるスピンに起因する四極モーメントと潮汐歪度を、整合的に含む波形モデルを構築する。
• スカラー場理論を、複雑さを減らしながら物理的意味を保ちつつ、一つの四次自己相互作用結合定数でパラメータライズする。
• 有効場理論の手法を用いて、ボソン星の内部構造を記述することで、インスピレーションのダイナミクスをモデル化する。
• 波形モデルを、重力波データ解析のための尤度ベースのパrameter推定パイプラインに統合する。
• LISA やエイントスタイン・テレビジオンなどの将来的な検出器について、信号対雑音比とフィッシャー情報行列の予測をシミュレートする。
• 異なる検出器の感度と観測周波数帯域における結合定数の制約を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ボソン星連星における潮汐効果およびスピンに起因する四極モーメント効果を、重力波波形においてどのように整合的にモデル化できるか。
• RQ2 現在および将来的な重力波検出器が、ボソン星系におけるスカラー自己結合定数に対してどの程度感度を示すか。
• RQ3 ボソン星合体が、一般相対性理論を超えるスカラー場理論のパラメータをどの程度まで制約できるか。
• RQ4 LISA とエイントスタイン・テレビジオンが、ボソン場自己相互作用を調べる能力において、どのように比較できるか。
• RQ5 一つの結合定数が、ボソン星合体の観測的シグナルを決定づける役割を果たす程度はどの程度か。

主な発見

• 四次自己相互作用を有するボソン星連星に対する、初めての整合的波形モデルが成功裏に開発され、スピンに起因する四極モーメントと潮汐歪度効果を両方とも統合した。
• エイントスタイン・テレビジオンやLISAといった将来的な検出器は、スカラー自己結合定数に対して強く補完的な制約を提供すると予想される。
• LIGO や Virgo といった現在の重力波検出器は、関連周波数帯域における感度が限られているため、ボソン場自己相互作用に対してはわずかな制約力しか持たない。
• スピンに起因する四極モーメントの組み込みにより、ボソン星信号の検出可能性とパrameter推定の正確さが顕著に向上する。
• 波形モデルにより、将来的な観測においてマッチフィルタリング手法を用いてスカラー結合定数の精密推定が可能になる。
• 本研究は、重力波観測と素粒子物理学的スカラー場理論との直接的な関連を確立し、素粒子物理学の制約に新たな道を開いた。