[論文レビュー] Snowmass2021 Cosmic Frontier White Paper: Fundamental Physics and Beyond the Standard Model

Emanuele Berti, Vítor Cardoso+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2022

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ひとこと要約

このSnowmass2021宇宙境界白色論文は、ブラックホールおよび中性子星系からの重力波（GW）観測が、強力場の重力および標準模型を超える物理学を解明するための変革的視点を提供すると提言している。第三世代の地上型検出器、宇宙空間でのミッション（例：LISA）、およびパulsarタイムイングアレイを活用することで、本論文はGWが一般相対性理論の検証、ブラックホールのイベントホライズンの探査、超軽量ボソンの検出、ダークマターの制約、およびマルチメッセンジャーデータを用いた宇宙膨張の地図作成にどのように寄与するかを示している。

ABSTRACT

Gravitational wave detectors are formidable tools to explore strong-field gravity, especially black holes and neutron stars. These compact objects are extraordinarily efficient at producing electromagnetic and gravitational radiation. As such, they are ideal laboratories for fundamental physics and have an immense discovery potential. The detection of black hole binaries by third-generation Earth-based detectors, space-based detectors and pulsar timing arrays will provide exquisite tests of general relativity. Loud "golden" events and extreme mass-ratio inspirals can strengthen the observational evidence for horizons by mapping the exterior spacetime geometry, inform us on possible near-horizon modifications, and perhaps reveal a breakdown of Einstein's gravity. Measurements of the black-hole spin distribution and continuous gravitational-wave searches can turn black holes into efficient detectors of ultralight bosons across ten or more orders of magnitude in mass. A precise monitoring of the phase of inspiralling binaries can constrain the existence of additional propagating fields and characterize the environment in which the binaries live, bounding the local dark matter density and properties. Gravitational waves from compact binaries will probe general relativity and fundamental physics in previously inaccessible regimes, and allow us to address fundamental issues in our current understanding of the cosmos.

研究の動機と目的

• 重力波検出器が強力場領域における一般相対性理論の検証に果たす可能性を評価すること。
• ブラックホールおよび中性子星系が、量子重力および情報パラドックスの研究のための実験的実験施設として果たす役割を探ること。
• 重力波が超軽量ボソンの検出およびダークマター分布の探査に果たす役割を調査すること。
• マルチメッセンジャーオbservationsを用いて、高赤方偏移領域におけるハッブル定数およびダークエネルギーの進化を制約すること。
• 初期宇宙および宇宙ひもによって生成される重力波の宇宙論的意味を検討すること。

提案手法

• 第三世代の地上型検出器（例：Cosmic Explorer, Einstein Telescope）を用いて、恒星質量の二重ブラックホール合体からの高SNR信号を検出すること。
• 宇宙空間のLISAを用いて、極端質量比降下および質量ブラックホール二重系からのmHz帯重力波を観測すること。
• パulsarタイムイングアレイを用いて、超大質量ブラックホール二重系からの確率的重力波背景を検出すること。
• 重力波の偏光、伝播速度、対称性の性質を分析して、一般相対性理論の修正を検証すること。
• ブラックホール分光法およびホライズンの影マッピングを用いて、近ホライズン領域の物理学を調べ、イベントホライズンの存在を検証すること。
• 重力波と電磁波データを統合して、局所的ダークマター密度を制約し、超軽量ボソン的場の摂動的でない効果を検出すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブラックホール二重系からの重力波観測は、強力場領域における一般相対性理論の決定的検証を可能にするか？
• RQ2 重力波は、ホライズンの存在やKerr計量からのずれをどの程度まで明らかにできるか？
• RQ3 重力波信号は、超放射能効果や共鳴効果を通じて、超軽量ボソンの存在を制約できるか？
• RQ4 重力波と電磁波データを用いたマルチメッセンジャーオbservationsにより、ハッブル定数およびダークエネルギーの進化をどの程度の精度で測定できるか？
• RQ5 インフレーションまたは宇宙の相転移に起因する原始的重力波の検出可能なシグナルは何か？

主な発見

• 第三世代の地上型検出器により、観測可能な宇宙におけるほぼすべての恒星質量の二重ブラックホール合体が観測可能となり、信号対雑音比が著しく向上する。
• LISAはmHz帯の重力波を検出可能であり、極端質量比降下の詳細なマッピングと、質量ブラックホール周辺の時空幾何学の探査が可能となる。
• パulsarタイムイングアレイは、超大質量ブラックホール二重系からの確率的重力波背景の検出に近づいている。
• 重力波観測は、重力子の質量を制約し、重力波の伝播速度における一般相対性理論からのずれを検証可能であり、現在のデータは質量ゼロの重力子と整合的である。
• ブラックホールスピン分布の測定および連続的重力波の観測により、質量の10乗オーダー以上にわたる範囲で超軽量ボソンの存在を探査可能となる。
• 二重系のインスピレーションの精密な位相モニタリングにより、局所的ダークマター密度を制約し、超軽量ボソン凝縮体に起因する摂動的でない効果の性質を制約可能となる。