[论文解读] 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 5

一句话总结

本文研究了由轻标量场引起的等效原理破坏，提出了一种非最小标量-物质耦合的微观模型，该模型影响自由落体的普遍性、原子钟比较以及引力红移。利用原子钟和人马座A*周围S0-2恒星轨道的数据，对两种模型——超轻标量暗物质和标量化的黑洞——进行了约束，结果在当前实验精度范围内与广义相对论一致。

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.

研究动机与目标

• 研究张量-标量引力理论中的轻标量场如何通过与物质的非普遍耦合破坏爱因斯坦等效原理（EEP）。
• 利用实验室实验（原子钟、扭秤）和天体物理观测（S0-2的引力红移）评估EEP破坏的可观测信号。
• 利用当前观测数据对两种具体模型进行约束：银河系中心的超轻标量暗物质和标量化黑洞。
• 将引力红移测量映射到标量-张量理论的基本参数，如耦合强度和标量荷。
• 利用最先进的自由落体普遍性和相对论红移测量结果，更新标量场耦合的约束。

提出的方法

• 基于Damour和Donoghue的框架，采用非最小标量-物质耦合的微观模型，其中标量场相互作用破坏共形不变性并引发EEP破坏。
• 应用线性耦合模型（i=1）推导在标量场存在下测试质量（如S0-2恒星）的修正运动方程和引力红移。
• 推导有效引力质量和红移参数作为标量荷q以及耦合系数α(1)和κ(1)的函数，将可观测量与理论参数联系起来。
• 利用GRAVITY和UCLA小组对S0-2的相对论红移测量结果（α_red = -0.2 ± 0.34）约束标量场的耦合强度。
• 分析原子钟比较和自由落体实验（如MICROSCOPE）的约束，以限制标量-物质耦合。
• 采用二次爱因斯坦-高斯-博内理论作为理论框架，其中标量化的黑洞以非平凡的标量荷出现，并将其效应映射到可观测的红移和轨道动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 在张量-标量理论中，轻标量场如何导致爱因斯坦等效原理的破坏？
• RQ2 当前的原子钟和自由落体实验在多大程度上能约束标量场与物质的耦合？
• RQ3 S0-2恒星绕人马座A*的相对论红移测量能否用于探测标量场效应并检验标量化黑洞解？
• RQ4 标量化黑洞对人马座A*引力场和轨道动力学的解释有何影响？
• RQ5 标量荷和耦合系数如何映射到S0-2系统中的可观测红移和加速度参数？

主要发现

• S0-2的观测引力红移（α_red = -0.2 ± 0.34）对标量场与物质的耦合施加了约束，结果在当前不确定度范围内与广义相对论一致。
• S0-2轨道所推断的有效质量受标量场影响而发生改变，偏差由qα(1)_S0-2参数化，其中q为黑洞标量荷。
• 红移贡献取决于标量荷q以及耦合系数α(1)_S0-2和κ(1)_S0-2，直接将可观测量与理论参数联系起来。
• 原子钟和自由落体实验的约束为标量-物质耦合强度提供了限制，尤其针对超轻标量暗物质候选者。
• 在二次爱因斯坦-高斯-博内理论中，标量化黑洞解的标量荷可达q ~ 0.45，显著影响引力动力学。
• 完整参数空间（η, d(1)_i）仍在研究中，但当前数据已排除标量场耦合区域中与广义相对论的大偏离。