[論文レビュー] Proposal for an Optical Test of the Einstein Equivalence Principle

Daniel R. Terno, Guseppe Vallone+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2018

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 35被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、従来、弱い重力赤方偏移信号を圧倒する第一順位ドップラー効果をキャンセルすることで、一般相対性理論の等価原理（EEP）をテストするための新しい二重大距離光干渉計方式を提案する。この方法により、現在の人工衛星技術を用いて電磁気的領域における実用的で高精度なEEPテストが可能となる。

ABSTRACT

The Einstein Equivalence Principle (EEP) underpins all metric theories of gravity. Its key element is the local position invariance of non-gravitational experiments, which entails the gravitational red-shift. Precision measurements of the gravitational red-shift tightly bound violations of the EEP only in the fermionic sector of the Standard Model, however recent developments of satellite optical technologies allow for its investigation in the electromagnetic sector. Proposals exploiting light interferometry traditionally suffer from the first-order Doppler effect, which dominates the weak gravitational signal necessary to test the EEP, making them unfeasible. Here, we propose a novel scheme to test the EEP, which is based on a double large-distance optical interferometric measurement. By manipulating the phase-shifts detected at two locations at different gravitational potentials it is possible to cancel-out the first-order Doppler effect and observe the gravitational red-shift implied by the EEP. We present the detailed analysis of the proposal within the post-Newtonian framework and the simulations of the expected signals obtained by using two realistic satellite orbits. Our proposal to overcome the first-order Doppler effect in optical EEP tests is feasible with current technology.

研究の動機と目的

• 光的EEPテストにおいて、第一順位ドップラー効果が弱い重力赤方偏移信号を圧倒するという長年の課題に対処すること。
• 現在の技術で実現可能な、電磁的領域におけるEEPテストのための実用的で技術的に準備の整った方法を開発すること。
• 電磁的領域におけるアインシュタイン等価原理の破れを制限するため、重力赤方偏移の高精度測定を可能にすること。
• 詳細なシミュレーションを通じて、現在の人工衛星ベースの光技術を用いたEEPテストの実現可能性を示すこと。

提案手法

• 異なる重力ポテンシャルに位置する二つの大距離光干渉計を用いて位相シフトを測定する。
• 異なる重力ポテンシャルを持つ二点間の位相シフトを比較することで、差分測定によって第一順位ドップラー効果がキャンセルされる。
• 重力赤方偏移とドップラー寄与の両方を位相シフトに与える影響を記述するため、後ニュートン的枠組みを用いる。
• 一般相対性理論の下で、干渉計の経路長および周波数シフトモデルに基づき、位相シフトの差を計算する。
• 信号対雑音比および検出可能性を評価するために、二つの現実的な人工衛星軌道を用いてシミュレーションを実施する。
• 二つの測定点におけるドップラー寄与の対称性を活用することで、重力赤方偏移信号を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 第一順位ドップラー効果は、アインシュタイン等価原理の光干渉的テストにおいて、効果的にキャンセル可能か？
• RQ2 現在の人工衛星光技術を用いて、電磁的領域における重力赤方偏移信号を検出するのは現実的か？
• RQ3 現実的な人工衛星軌道パラメータは、この干渉計設定におけるEEP破れ信号の検出可能性にどのように影響するか？
• RQ4 後ニュートン的重力理論において、この二重干渉計構成の期待される信号強度と雑音レベルは何か？
• RQ5 提案された方式は、電磁的領域におけるEEP破れを制限するのに十分な感度を達成できるか？

主な発見

• 提案された二重干渉計方式は、差分位相測定によって第一順位ドップラー効果を効果的にキャンセルし、重力赤方偏移信号を分離することに成功した。
• 現実的な人工衛星軌道を用いたシミュレーションにより、現在の技術で重力赤方偏移信号がノイズ以上に検出可能であることが確認された。
• この方法により、従来の光干渉計手法がドップラー効果の支配を受けるため失敗した電磁的領域におけるアインシュタイン等価原理の高精度なテストが可能となった。
• 後ニュートン的解析により、重力赤方偏移信号がポテンシャル差に比例して適切にスケーリングされ、ドップラーのアーチファクトとは明確に区別可能であることが確認された。
• この方式は、現在の人工衛星光技術を用いて実現可能であることが示され、今後の高精度EEPテストに実現可能な道筋を提供する。