[論文レビュー] Post-Newtonian phenomenology of a massless dilaton

Aurélien Hees, O. Minazzoli|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2015

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、ダムールとドノフの微視的ダイナロン-物質結合モデルに基づき、質量ゼロのダイナロンに対する後ニュートン的記述を拡張し、一般化されたダイナロン-リッチィ結合および非正準的運動項を組み込む。局所重力観測（運動方程式、光の伝播、固有時刻の進化）を分析するためのすべての必要な方程式を導出しており、一般相対性理論からのずれを著しく抑制するデカップリング状況が明らかになった。これは、理論的期待とは裏腹に自由落下の普遍性の破れが検出されない理由を説明する可能性を秘めている。

ABSTRACT

In this paper, we present extensively the observational consequences of massless dilaton theories at the post-Newtonian level. We extend previous work by considering a general model including a dilaton-Ricci coupling as well as a general dilaton kinetic term while using the microphysical dilaton-matter coupling model proposed in [Damour and Donoghue, PRD 2010]. We derive all the expressions needed to analyze local gravitational observations in a dilaton framework, which is useful to derive constraints on the dilaton theories. In particular, we present the equations of motion of celestial bodies (in barycentric and planetocentric reference frames), the equation of propagation of light and the evolution of proper time as measured by specific clocks. Particular care is taken in order to derive properly the observables. The resulting equations can be used to analyse a large numbers of observations: universality of free fall tests, planetary ephemerides analysis, analysis of satellites motion, Very Long Baseline Interferometry, tracking of spacecraft, gravitational redshift tests, ...

研究の動機と目的

• 前人研究を超えて、一般化されたダイナロン-リッチィ結合および非正準的運動項を含む、質量ゼロのダイナロン理論の後ニュートン的記述を拡張すること。
• ダムールとドノフが提唱した微視的ダイナロン-物質結合モデルを組み込むこと。このモデルは、ダイナロンをQCDのスケール、フェルミオン質量、微細構造定数に関連付ける。
• ダイナロンフレームワーク内での局所重力観測（運動方程式、光の伝播、固有時刻の進化）を分析するためのすべての必要な方程式を導出すること。
• 一般相対性理論からのずれを著しく抑制するデカップリング状況を特定・分析し、特に自由落下の普遍性のテストにおける影響を評価すること。
• 惑星エフェメリス、宇宙船追跡、時計比較といった多様な観測データを用いた、ダイナロン理論の制約に役立つ包括的な理論的ツールキットを提供すること。

提案手法

• ストリングのループ展開に整合するストリングフレームでの有効作用を導出し、一般化されたダイナロン-リッチィ結合および非正準的運動項を含む。
• ダイナロンがQCDのトレース異常、電子質量、微細構造定数にそれぞれ結合する微視的ダイナロン-物質結合モデルを適用し、5つの結合パラメータを用いる。
• パラメータ化された後ニュートン的（PPN）形式を用いて、計量の摂動および一般相対性理論からのずれ（EEP破れ効果を含む）を表現する。
• 太陽系中心系および惑星中心系の両方の座標系における天体の運動方程式を導出し、惑星および衛星の動力学的解析に不可欠なものを得る。
• VLBIや宇宙船追跡実験に不可欠な距離、ドップラー、天体測定観測量をモデル化するための光の伝播方程式を導出する。
• 重力赤方偏移および等価原理のテストを可能にするため、原子時計の固有時刻の進化を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非最小的ダイナロン-リッチィ結合および非正準的運動項は、ダイナロン理論における後ニュートン的観測量にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ダムール-ドノフの微視的ダイナロン-物質結合モデルは、局所重力テストにどのような意味を持つのか？
• RQ3 特定の結合パラメータの組み合わせが、一般相対性理論からのずれを抑制するデカップリング状況を生じるか？
• RQ4 異なるタイプの実験（例：UFFテスト vs. 時計比較）は、ダイナロン結合パラメータのどの側面を最も鋭く制限するか？
• RQ5 現代の重力データをダイナロン理論フレームワークで解析するための正確な運動方程式および光の伝播方程式は何か？

主な発見

• 特定の結合パラメータの組み合わせにより、PPNパラメータが一般相対性理論と正確に一致するデカップリング状況が生じ、観測可能なずれが著しく抑制される。
• デカップリング状況では、自由落下の普遍性（UFF）違反パラメータ η_dec が強く抑制され、|η_dec| ≈ |α̃_E0(α̃_B0 − α̃_C0)| のようにスケーリングする。ここで α̃_A0 は物質へのダイナロン結合によって定義される。
• このデカップリング機構は、理論的期待とは裏腹にUFF違反が検出されない現象を説明でき、長年の謎を解消する可能性を秘めている。
• 時計比較実験は、電子質量（d_me）および微細構造定数（d_e）へのダイナロン結合に対して最も感受性が高く、一方でUFFテストはクォーク質量（d_mu, d_md）およびQCDスケール（d_g）への結合に対して最も感受性が強い。
• 太陽系中心系および惑星中心系における運動方程式は、惑星エフェメリス、小惑星の運動、人工衛星軌道の解析に適している。
• 光の伝播および固有時刻の進化に関する一連の完全な方程式は、ダイナロン重力理論における距離測定、ドップラー測定、天体測定、重力赤方偏移測定の高精度モデリングを可能にする。