[논문 리뷰] Constraints on parity and Lorentz violations in gravity from GWTC-3 through a parametrization of modified gravitational wave propagations

Tao Zhu, Wen Zhao외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 18.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 8

한 줄 요약

본 논문은 수정된 중력파 전파에 대한 보편적 매개화(universal parametrization)를 제안하고 GWTC-3 데이터를 사용하여 패리티/로렌츠 위반을 제약한다. 신호는 발견되지 않았으며 여러 매개변수에 대해 현재까지의 가장 강력한 한계를 도출했고, 로렌츠 위반 감쇠에 대한 최초의 한계를 포함한다.

ABSTRACT

Gravitational wave (GW) observations provide sensitive tests of parity and Lorentz symmetries of gravity. Any violation of these fundamental symmetries induces possible deviations in the GW propagations. Through a systematic parametrization for characterizing possible derivations from GW propagations in general relativity, we construct the modified GW waveforms generated by the coalescence of compact binaries with the effects of the parity and Lorentz violations as predicted by many parity- and Lorentz-violating gravities and then analyze them with the open data of compact binary merging events detected by LIGO-Virgo-KAGRA Collaboration. No signature of gravitational parity and Lorentz violations are found for most GW events, thereby allowing us to place several of the most stringent constraints on parity and Lorentz violations in gravity and a first constraint on the Lorentz-violating damping effect in GW.

연구 동기 및 목표

• GW 전파 수정을 여러 중력 이론에 걸쳐 비모형적(testing)을 위한 모델-독립적 방법을 제시한다.
• GR 편차를 포착하기 위한 보편적 4-매개 프레임워크(bar-nu, bar-mu, nu_A, mu_A)을 개발한다.
• 패리티/로렌츠 위반을 포함하는 수정된 GW 파형을 구성하고 GWTC-3 데이터와 비교한다.
• 다수의 GW 이벤트에 대한 베이지안 분석으로 M_PV 및 M_LV의 패리티-로렌츠 위반 척도에 대한 제약을 도출한다.

제안 방법

• 제11 항 h''_A + (2 + bar-nu + nu_A) H h'_A + (1 + bar-mu + mu_A) k^2 h_A = 0을 매개화된 GW 전파 방정식으로 제시한다.
• 원형 편파로 분해하고 delta h_1, delta Psi_1과 함께 beta_nu, beta_mu 및 A_nu, A_mu를 통해 패리티 위반 진폭과 위상을 표현한다.
• beta_bar_nu, beta_bar_mu 및 A_bar_nu, A_bar_mu를 사용하여 로렌츠 위반 감쇠/분산을 모델링하고 이를 M_PV 및 M_LV와 연관시킨다.
• tilde{h}_A(f) = tilde{h}_A^{GR}(f) e^{rho_A delta h_1 + delta h_2} e^{i(rho_A delta Psi_1 + delta Psi_2)} 형태의 수정된 파형을 구성한다.
• Bilby/Dynesty를 사용한 GWTC-3 이벤트에 대한 베이지안 추론을 수행하여 A_nu, A_mu, A_bar_nu, A_bar_mu의 사후를 얻고 이를 M_PV, M_LV로 변환한다.

Figure 1: The posterior distributions for $M_{\rm PV}^{-\beta_{\nu}}$ with $\beta_{\nu}=1$ , $M_{\rm PV}^{-\beta_{\mu}}$ with $\beta_{\mu}=-1,3$ , $M_{\rm LV}^{-\beta_{\bar{\nu}}}$ with $\beta_{\mu}=2$ , and $M_{\rm LV}^{-\beta_{\bar{\mu}}}$ with $\beta_{\bar{\mu}}=2,4$ from selected GW events in th

실험 결과

연구 질문

• RQ1 패리티-위반 매개변수(진폭 및 속도 이방성)가 GWTC-3 데이터를 통해 전파 중에 검출 가능한 흔적을 남기는가?
• RQ2 로렌츠 위반 감쇠/분산 효과가 관측된 GW 신호에서 주파수 의존적 서명을 생성하는가?
• RQ3 GWTC-3에서 얻을 수 있는 패리티-위반 스케일 M_PV와 로렌츠 위반 스케일 M_LV의 가장 엄격한 한계는 무엇인가?
• RQ4 보편적 매개화가 광범위한 수정 중력 이론들을 GW 관찰과 일관되게 비교하는가?

주요 결과

• GWTC-3 데이터에서 테스트 대상 케이스들에 걸쳐 중력 패리티/로렌츠 위반에 대한 유의미한 증거가 없다.
• 다수의 조합에 대한 90% 한계에서 M_PV와 M_LV의 결합 제약은 이전 결과를 개선하거나 일치하며, beta_nu=1, beta_mu=3, beta_bar_mu=4와 같은 특정 선택에서 가장 강력한 제약이 도출된다.
• GW 데이터로부터 도출된 로렌츠 위반 감쇠에 대한 최초의 한계(beta_bar_nu=2).
• 탐색된 매개변수 공간에 대해 수정된 GW 전파에 관한 가장 포괄적인 제약을 제시한다.
• 제한은 광범위한 수정 중력 이론에서의 결합에 대한 한계로 번역 가능하다.