[论文解读] Asteroid astrometry as a fifth-force and ultralight dark sector probe

Yu-Dai Tsai, Youjia Wu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2021

Astro and Planetary Science参考文献 109被引用 5

一句话总结

本文提出利用小行星天体测量学探测由超轻暗物质组粒子（如暗光子或核子耦合标量）介导的长程第五种力。通过分析九颗近地小行星的高精度光学与雷达数据所获得的轨道进动，其灵敏度可与扭秤实验相媲美，并在特定质量范围（10⁻²¹–10⁻¹⁵ meV）内具有潜在提升空间，同时为未来研究数百万颗小行星及海王星外天体奠定基础。

ABSTRACT

We study for the first time the possibility of probing long-range fifth forces utilizing asteroid astrometric data, via the fifth force-induced orbital precession. We examine nine Near-Earth Object (NEO) asteroids whose orbital trajectories are accurately determined via optical and radar astrometry. Focusing on a Yukawa-type potential mediated by a new gauge field (dark photon) or a baryon-coupled scalar, we estimate the sensitivity reach for the fifth-force coupling strength and mediator mass in the mass range $m \simeq 10^{-21}-10^{-15}\,{ m eV}$. Our estimated sensitivity is comparable to leading limits from torsion balance experiments, potentially exceeding these in a specific mass range. The fifth forced-induced precession increases with the orbital semi-major axis in the small $m$ limit, motivating the study of objects further away from the Sun. We discuss future exciting prospects for extending our study to more than a million asteroids (including NEOs, main-belt asteroids, Hildas, and Jupiter Trojans), as well as trans-Neptunian objects and exoplanets.

研究动机与目标

• 探索小行星天体测量学作为标准模型之外长程第五种力的新探测手段。
• 评估现有小行星轨道数据对由超轻暗光子或标量场介导的 Yukawa 型相互作用的灵敏度。
• 确定当前天体测量数据在 10⁻²¹–10⁻¹⁵ meV 范围内约束第五种力耦合强度与媒介粒子质量的探测能力。
• 识别将该方法扩展至更大规模小行星与海王星外天体群体以获得更优约束的潜力。

提出的方法

• 分析九颗近地小行星在高精度天体测量数据（来自光学与雷达观测）下由 Yukawa 型第五种力引起的轨道进动。
• 将第五种力建模为由新规范玻色子（暗光子）或与重子物质耦合的标量场介导的长程相互作用。
• 利用进动对轨道半长轴的依赖关系，在媒介粒子质量较小的极限下（m ≲ 10⁻¹⁵ meV）增强探测灵敏度。
• 通过比较预测进动与观测不确定性，估算对耦合强度与媒介粒子质量的灵敏度范围。
• 评估该方法相对于现有扭秤实验的性能表现，以确立具有竞争力的约束边界。
• 概述未来扩展方向，包括主带小行星、希尔达小行星、木星特洛伊群小行星及海王星外天体，以增强统计功效。

实验结果

研究问题

• RQ1 小行星天体测量学能否探测由超轻暗物质组粒子引起的第五种力诱导的轨道进动？
• RQ2 当前小行星数据对 10⁻²¹–10⁻¹⁵ meV 范围内第五种力耦合强度与媒介粒子质量的灵敏度范围如何？
• RQ3 第五种力诱导的进动如何随轨道半长轴变化？这是否有利于远距离天体的探测？
• RQ4 该方法获得的天体测量约束与现有扭秤实验的限制相比如何？
• RQ5 通过将分析扩展至更大规模的小行星与海王星外天体群体，能否进一步提升约束能力？

主要发现

• 在 10⁻²¹–10⁻¹⁵ meV 的媒介粒子质量范围内，该方法对第五种力耦合强度的探测灵敏度可与领先的扭秤实验相媲美。
• 在某些质量区间，由于大轨道中进动增强，天体测量方法的灵敏度可能超过扭秤实验。
• 在小质量极限下，第五种力诱导的进动随轨道半长轴增大而增加，有利于研究遥远的小行星。
• 对九颗近地小行星进行高精度天体测量分析，为探测长程第五种力提供了切实可行的基准。
• 将研究扩展至超过一百万颗小行星（包括主带天体、希尔达小行星与木星特洛伊群小行星）可为获得更优约束提供有前景的路径。
• 未来将该方法应用于海王星外天体及系外行星系统，有望进一步拓展这一天体物理探测手段的探测范围。