[论文解读] Testing Lorentz Invariance of Gravity in the Standard Model Extension with GWTC-3

Rui Niu, Tao Zhu+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2022

Geophysics and Gravity Measurements被引用 4

一句话总结

本研究利用LIGO-Virgo-KAGRA的GWTC-3引力波目录中的引力波数据，测试引力中的洛伦兹不变性。通过在质量维度d=5和d=6下使用标准模型拓展（SME）来建模洛伦兹破坏效应（如各向异性、双折射和色散），作者对50个可信事件进行了完整的贝叶斯推断，未发现洛伦兹破坏的证据，并在90%可信区间内设定了~10⁻¹⁵ m（d=5）和~10⁻¹⁰ m²（d=6）的限制。

ABSTRACT

Successful detection of gravitational waves has presented a new avenue to explore the nature of gravity. With the cumulative catalog of detected events, we can perform tests on General Relativity from various aspects with increasing precision. In this work, we focus on Lorentz symmetry during propagation of gravitational waves. Considering the dispersion relation in the gauge-invariant linearized gravity sector of the Standard-Model Extension, the anisotropy, birefringence, and dispersion effects will be induced during propagation of gravitational waves because of the Lorentz violating modification, and cause dephasings in waveform received by detectors. With the distorted waveform, we perform full Bayesian inference with confident events in the last gravitational wave catalog. We consider two cases associated with the lowest mass dimension $d=5,6$ which are supposed to have the most significant effects, and place the constraints on the expansion coefficients characterizing the Lorentz violating behavior which have 16 independent components for $d=5$ and 18 components for $d=6$. We do not find any evidence for Lorentz violation in the gravitational wave data, the constraints on the coefficients are on the order of $10^{-15}{ m m}$ for $d=5$ and $10^{-10}{ m m^2}$ for $d=6$ respectively.

研究动机与目标

• 利用GWTC-3目录中的引力波数据，测试引力领域的洛伦兹不变性。
• 在质量维度d=5和d=6下，利用标准模型拓展（SME）框架约束引力中的洛伦兹破坏系数。
• 对50个可信的引力波事件执行完整的贝叶斯推断，以检测由各向异性、双折射或色散效应引起的广义相对论偏离。
• 通过采用严格的统计框架，改进以往的近似方法，从而在存在偏离时能够识别出这些偏离。

提出的方法

• 本研究采用SME的规范不变线性化引力部分，以建模引力波传播关系中因洛伦兹破坏引起的修正。
• 将源自d=5和d=6下SME拉格朗日量的各向异性、双折射和色散引起的波形变形纳入模型。
• 使用Bilby软件套件执行完整的贝叶斯推断，通过有效参数的随机采样，重建独立SME系数的后验分布。
• 分析基于GWTC-3中50个可信事件，这些事件依据LVK的广义相对论一致性测试筛选，以确保信号质量。
• 采用“最大可达”方法，每次仅隔离一个分量或一对分量，其余设为零，以独立约束各系数。
• 通过后验分布计算90%可信区间，确保统计解释的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 引力波传播是否表现出SME在质量维度d=5和d=6下预测的洛伦兹破坏迹象？
• RQ2 完整的贝叶斯推断能否检测到由各向异性、双折射或色散效应引起的引力波波形与广义相对论的偏离？
• RQ3 与基于近似到达时间差的先前结果相比，GWTC-3数据对SME系数的约束有何差异？
• RQ4 当前引力波探测器对引力领域洛伦兹破坏效应的灵敏度如何？
• RQ5 完整的贝叶斯框架是否能改进以往近似方法在约束洛伦兹破坏系数方面的表现？

主要发现

• GWTC-3数据中未发现洛伦兹破坏的证据，与广义相对论的预测一致。
• d=5下SME系数的90%可信上限约为10⁻¹⁵ m。
• d=6下SME系数的90%可信上限约为10⁻¹⁰ m²。
• 这些约束与先前基于近似到达时间估计的结果一致，但略弱。
• 完整的贝叶斯分析提供了比以往近似方法更严格的框架，若存在偏离，可实现潜在检测。
• 本研究证明了利用完整贝叶斯推断方法，基于当前引力波数据约束SME引力领域洛伦兹破坏系数的可行性。