[論文レビュー] Violation of the equivalence principle from light scalar fields: from Dark Matter candidates to scalarized black holes

Aurélien Hees, O. Minazzoli+4 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2019

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、光量スカラー場に起因する等価原理の破れを調査し、物質への非最小的スカラー-物質結合のマイクロスコピックモデルを提案する。このモデルは、自由落下の普遍性、原子時計の比較、重力赤方偏移に影響を及ぼす。原子時計およびSgr A*の周囲を回るS0-2星の観測データを用いて、超軽量スカラー暗黒物質およびスカラー化ブラックホールの2つのモデルを制限し、現在の実験的精度の範囲で一般相対性理論と整合していることが示された。

ABSTRACT

Tensor-scalar theory is a wide class of alternative theory of gravitation that can be motivated by higher dimensional theories, by models of dark matter or dark ernergy. In the general case, the scalar field will couple non-universally to matter producing a violation of the equivalence principle. In this communication, we review a microscopic model of scalar/matter coupling and its observable consequences in terms of universality of free fall, of frequencies comparison and of redshifts tests. We then focus on two models: (i) a model of ultralight scalar dark matter and (ii) a model of scalarized black hole in our Galactic Center. For both these models, we present constraints using recent measurements: atomic clocks comparisons, universality of free fall measurements, measurement of the relativistic redshift with the short period star S0-2 orbiting the supermassive black hole in our Galactic Center.

研究の動機と目的

• テンソル-スカラー重力理論における軽量スカラー場が物質への非普遍的結合を通じてアインシュタイン等価原理（EEP）を破る仕組みを調査すること。
• 実験的観測（原子時計、ねじり秤）および天体物理学的観測（S0-2星の重力赤方偏移）を用いて、EEP破れの観測的兆候を評価すること。
• 現在の観測データを用いて、銀河中心における2つの具体的なモデル（超軽量スカラー暗黒物質およびスカラー化ブラックホール）を制限すること。
• 重力赤方偏移測定値を、結合定数やスカラー荷といったスカラーテンソル理論の基本的パラメータにマッピングすること。
• 自由落下の普遍性および相対論的赤方偏移の最新測定値を用いて、スカラー場の結合を更新された制約を提示すること。

提案手法

• スカラー場の相互作用が共形不変性を破り、EEP破れを引き起こす非最小的スカラー-物質結合のマイクロスコピックモデルを、DamourとDonoghueのフレームワークに基づいて用いる。
• 線形結合モデル（i=1）を適用し、スカラー場の存在下でのテスト質量（例：S0-2星）の運動方程式および重力赤方偏移を修正する。
• 有効重力質量および赤方偏移パラメータを、スカラー荷qおよび結合係数α(1)とκ(1)の関数として導出し、観測量と理論パラメータを結びつける。
• GRAVITYおよびUCLAグループによるS0-2星の相対論的赤方偏移測定（α_red = -0.2 ± 0.34）を用いて、スカラー場の結合強度を制限する。
• 原子時計の比較および自由落下実験（例：MICROSCOPE）からの制約を分析し、スカラー-物質結合を束縛する。
• 2次のアインシュタイン＝ガウス＝ボンネット理論を理論的枠組みとして用い、スカラー化ブラックホールが非自明なスカラー髪を有することを示し、その効果を観測可能な赤方偏移および軌道力学にマッピングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 テンソル-スカラー理論における軽量スカラー場は、どのようにアインシュタイン等価原理を破るのか？
• RQ2 現在の原子時計および自由落下実験は、スカラー場と物質の結合をどの程度制限できるのか？
• RQ3 Sgr A*の周囲を回るS0-2星の相対論的赤方偏移測定は、スカラー場の効果を検出するのにも使用可能であり、スカラー化ブラックホール解をテストするのに有効なのか？
• RQ4 スカラー化ブラックホールは、Sgr A*の重力場および軌道力学の解釈にどのような意味を持つのか？
• RQ5 スカラー荷および結合係数は、S0-2系における観測可能な赤方偏移および加速度パラメータにどのようにマッピングされるのか？

主な発見

• 観測されたS0-2の重力赤方偏移（α_red = -0.2 ± 0.34）は、スカラー場と物質の結合を制限しており、現在の不確実性の範囲で一般相対性理論と整合している。
• S0-2の軌道から推定される有効質量はスカラー場によって修正されており、そのずれはqα(1)_S0-2でパラメータ化され、qはブラックホールのスカラー荷を表す。
• 赤方偏移の寄与は、スカラー荷qおよび結合係数α(1)_S0-2とκ(1)_S0-2の両方に依存し、観測量を理論パラメータに直接結びつける。
• 原子時計および自由落下実験からの制約は、特に超軽量スカラー暗黒物質候補のスカラー-物質結合強度を束縛する。
• 2次のアインシュタイン＝ガウス＝ボンネット理論におけるスカラー化ブラックホール解は、q ~ 0.45程度のスカラー荷を有することができ、重力的力学に顕著な影響を与える。
• パrameter空間（η, d(1)_i）はまだ完全には解明されていないが、現在のデータはスカラー場結合領域における一般相対性理論からの大幅な逸脱をすでに除外している。