Принципы детектирования волновой темной материи с помощью экспериментов по измерению гравитационного красного смещения в Солнечной системе

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Исследована возможность использования измерений эффекта гравитационного красного смещения для ограничения параметров волновой темной материи — класса моделей, в которых темная материя состоит из легких скалярных частиц, которые ведут себя подобно волнам классической материи. Построен математический аппарат для оценки констант взаимодействия волновой темной материи с полями частиц Стандартной модели в экспериментах с удаленными часами. С его помощью показано, что точность эксперимента по детектированию темной материи гало Галактики с помощью двух спутников, оснащенных точными и стабильными атомными часами и находящихся на эллиптических околосолнечных орбитах, не превышает точности наземных экспериментов по сравнению скоростей хода колоцированных часов различных типов. Причиной ограничения точности космического эксперимента является необходимость компенсации нерелятивистского эффекта Доплера, что приводит к уменьшению амплитуды полезного сигнала. Обсуждаются пути решения данной проблемы.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. В. Пилипенко

Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: spilipenko@asc.rssi.ru
Россия, Москва

Д. А. Литвинов

Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской академии наук

Email: spilipenko@asc.rssi.ru
Россия, Москва

М. В. Захваткин

Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской академии наук; Институт прикладной математики им. М. В. Келдыша Российской академии наук

Email: spilipenko@asc.rssi.ru
Россия, Москва; Москва

А. И. Филеткин

Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской академии наук; Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, Государственный астрономический институт им. П. К. Штернберга

Email: spilipenko@asc.rssi.ru
Россия, Москва; Москва

Список литературы

  1. L. Hui, Ann. Rev. Astron. Astrophys. 59, 247 (2021), arXiv:2101.11735 [astro-ph.CO].
  2. K. Van Tilburg, N. Leefer, L. Bougas, and D. Budker, Phys. Rev. Letters 115, id. 011802 (2015), arXiv:1503.06886 [physics.atom-ph].
  3. A. Hees, J. Guéna, M. Abgrall, S. Bize, and P. Wolf, Phys. Rev. Letters 117(6), id. 061301 (2016), arXiv:1604.08514 [gr-qc].
  4. P. Wcisło, P. Ablewski, K. Beloy, S. Bilicki et al., Science Advances 4(12), id. eaau4869 (2018).
  5. C.J. Kennedy, E. Oelker, J.M. Robinson, T. Bothwell, et al., Phys. Rev. Letters 125(20), id. 201302 (2020), arXiv:2008.08773 [physics.atom-ph].
  6. S.M. Vermeulen, P. Relton, H. Grote, V. Raymond, et al., Nature 600(7889), 424 (2021), arXiv:2103.03783 [gr-qc].
  7. D.E. Kaplan, A. Mitridate, and T. Trickle, Phys. Rev. D 106(3), id. 035032 (2022).
  8. L. Bernus, O. Minazzoli, A. Fienga, A. Hees, M. Gastineau, J. Laskar, P. Deram, and A. Di Ruscio, Phys. Rev. D 105(4), id. 044057 (2022).
  9. S. Schlamminger, K.Y. Choi, T.A. Wagner, J.H. Gundlach, and E. G. Adelberger, Phys. Rev. Letters 100, id. 041101 (2008), arXiv:0712.0607 [gr-qc].
  10. T.A. Wagner, S. Schlamminger, J.H. Gundlach, and E.G. Adelberger, Classical and Quantum Gravity 29(18), id. 184002 (2012), arXiv:1207.2442 [gr-qc].
  11. J. Bergé, P. Brax, G. Métris, M. Pernot-Borrás, P. Touboul, and J.-P. Uzan, Phys. Rev. Letters 120(14), id. 141101 (2018), arXiv:1712.00483 [gr-qc].
  12. T. Bothwell, D. Kedar, E. Oelker, J.M. Robinson, S.L. Bromley, W. L. Tew, J. Ye, and C. J. Kennedy, Metrologia 56(6), id. 065004 (2019).
  13. K. Kim, A. Aeppli, T. Bothwell, and J. Ye, Phys. Rev. Letters 130(11), id. 113203 (2023).
  14. A. Arvanitaki, J. Huang, and K. Van Tilburg, Phys. Rev. D 91(1), id. 015015 (2015), arXiv:1405.2925 [hep-ph].
  15. A. Derevianko, Phys. Rev. A 97(4), id. 042506 (2018), arXiv:1605.09717 [physics.atom-ph].
  16. B.M. Roberts, G. Blewitt, C. Dailey, M. Murphy, et al., Nature Comm. 8, id. 1195 (2017), arXiv:1704.06844 [hep-ph].
  17. V. Schkolnik, D. Budker, O. Fartmann, V. Flambaum, et al., Quantum Sci. Technology 8(1), id. 014003 (2023), arXiv:2204.09611 [physics.atom-ph].
  18. A. Hees, O. Minazzoli, E. Savalle, Y.V. Stadnik, and P. Wolf, Phys. Rev. D 98(6), id. 064051 (2018), arXiv:1807.04512 [gr-qc].
  19. J. Veltmaat, B. Schwabe, and J.C. Niemeyer, Phys. Rev. D 101(8), id. 083518 (2020), arXiv:1911.09614 [astro-ph.CO].
  20. Y.-D. Tsai, J. Eby, and M.S. Safronova, Nature Astron. 7, 113 (2023), arXiv:2112.07674 [hep-ph].
  21. Y.A. El-Neaj, C. Alpigiani, S. Amairi- Pyka, H. Araújo, et al., EPJ Quantum Technology 7(1), id. 6 (2020).
  22. C.M. Will, Liv. Rev. Relativity 17(1), 4 (2014).
  23. R.F.C. Vessot, M.W. Levine, E.M. Mattison, E.L. Blomberg, Phys. Rev. Letters 45, 2081 (1980).
  24. D.A. Litvinov, V.N. Rudenko, A.V. Alakoz, U. Bach, et al., Phys. Letters A 382(33), 2192 (2018).
  25. P. Delva, N. Puchades, E. Schönemann, F. Dilssner, et al., Phys. Rev. Letters 121(23), id. 231101 (2018), arXiv:1812.03711 [gr-qc].
  26. S. Herrmann, F. Finke, M. Lülf, O. Kichakova, et al., Phys. Rev. Letters 121(23), id. 231102 (2018).
  27. P. Jetzer, Intern. J. Modern Physics D 26(5), 1741014 (2017).
  28. B. Altschul, Q.G. Bailey, L. Blanchet, K. Bongs, et al., Adv. Space Research 55(1), 501 (2015), arXiv:1404.4307 [gr-qc].
  29. M.P. Heß, L. Stringhetti, B. Hummelsberger, K. Hausner, et al., Acta Astronautica, 69, 929 (2011).
  30. D. Litvinov and S. Pilipenko, Classical and Quantum Gravity 38(13), id. 135010 (2021), arXiv:2108.09723 [gr-qc].
  31. A. Derevianko, K. Gibble, L. Hollberg, N.R. Newbury, C. Oates, M.S. Safronova, L.C. Sinclair, and N. Yu, Quantum Sci. Technology 7(4), id. 044002 (2022).
  32. J. Jaffe and R.F. Vessot, Phys. Rev. D 14(12), 3294 (1976).
  33. S. Turyshev, M. Shao, K. Nordtvedt, H. Dittus, et al., Exp. Astron. 27, 27 (2009).
  34. W.-T. Ni, Intern. J. Modern Physics D 17(7), 921 (2008).
  35. Y.V. Stadnik and V.V. Flambaum, Phys. Rev. Letters 115(20), id. 201301 (2015).
  36. G. P. Centers, J.W. Blanchard, J. Conrad, N.L. Figueroa, et al., Nature Comm. 12, id. 7321 (2021), arXiv:1905.13650 [astro-ph.CO].
  37. A.K. Drukier, K. Freese, and D.N. Spergel, Phys. Rev. D 33(12), 3495 (1986).
  38. N.W. Evans, C.A.J. O’Hare, and C. McCabe, Phys. Rev. D 99(2), id. 023012 (2019).
  39. C.A.J. O’Hare, N.W. Evans, C. McCabe, G. Myeong, and V. Belokurov, Phys. Rev. D 101, id. 023006 (2020).
  40. T. Flacke, C. Frugiuele, E. Fuchs, R.S. Gupta, and G. Perez, J. High Energy Phys. 2017(6), id. 50 (2017).
  41. T. Damour and J.F. Donoghue, Phys. Rev. D 82(8), id. 084033 (2010), arXiv:1007.2792 [gr-qc].
  42. T. Damour and J.F. Donoghue, Classical and Quantum Gravity 27(20), id. 202001 (2010).
  43. V. Dzuba and V. Flambaum, Phys. Rev. A 77(1), id. 012515 (2008).
  44. J. Guéna, M. Abgrall, D. Rovera, P. Rosenbusch, M.E. Tobar, P. Laurent, A. Clairon, and S. Bize, Phys. Rev. Letters 109(8), id. 080801 (2012), arXiv:1205.4235 [physics.atom-ph].
  45. A. Hees, O. Minazzoli, E. Savalle, Y. V. Stadnik, P. Wolf, and B. Roberts, arXiv:1905.08524 [gr-qc] (2019).
  46. N. Ashby, in Proc. of the 1998 IEEE Intern. Frequency Control Symp. (Cat. No.98CH36165), p. 320 (1998).
  47. L. Blanchet, C. Salomon, P. Teyssandier, and P. Wolf, Astron. and Astrophys. 370(1), 320 (2001).
  48. D. Litvinov, Astron. Letters 50(4), 55 (2024).
  49. R.F.C. Vessot and M.W. Levine, General Relativ. and Gravit. 10, 181 (1979).
  50. A. Khmelnitsky and V. Rubakov, J. Cosmology and Astroparticle Phys. 2014(2), id. 019 (2014), arXiv:1309.5888 [astro-ph.CO].
  51. L. Liu, D.-S. Lü, W.-B. Chen, T. Li, et al., Nature Comm. 9(1), 2760 (2018).
  52. H.L. van Trees, K.L. Bell, and Z. Tian, Detection, Estimation, and Modulation Theory. Part 1. Detection, Estimation, and Filtering Theory, 2nd ed. (New York, USA: Wiley, 2013).
  53. Z. Kang, S. Bettadpur, P. Nagel, H. Save, S. Poole, and N. Pie, J. Geodesy 94(9), id. 85 (2020).
  54. K. Abich, A. Abramovici, B. Amparan, A. Baatzsch, et al., Phys. Rev. Letters 123(3), id. 031101 (2019).
  55. P. Kurczynski, M.D. Johnson, S.S. Doeleman, K. Haworth, et al., in Space Telescopes and Instrumentation 2022: Optical, Infrared, and Millimeter Wave 12 180, 189 (2022).

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Приложение
Скачать (1MB)
Метаданные
3. Рис. 1. Конфигурация орбит двух спутников. Оба спутника движутся против часовой стрелки. Первый спутник показан в моменты времени отправки tB′ и приема сигнала tB (интервал времени между этими моментами многократно увеличен для наглядности). Второй спутник показан в момент ретрансляции принятого сигнала tA. Сплошными стрелками показан двухпутевой сигнал, штриховой стрелкой – однопутевой

Скачать (182KB)
Метаданные
4. Рис. 2. Ограничения на константу связи γ(i) дилатонного поля φ, отождествляемого с ТМ. Слева — линейная связь (i = 1), справа — квадратичная (i = 1). Константа γ(i) определена согласно (22). Сплошная линия — эксперимент с двумя спутниками на околосолнечных орбитах, штриховая — эксперимент с двумя колоцированными часами на Земле (результаты данной работы). В последнем случае учтено экранирование, предсказанное в работе [18]. Закрашенная область — полученные ранее ограничения на γ(i) в экспериментах с атомными часами и тестах ЭПЭ. Сравнение с полученными ранее ограничениями сделано в предположении (23), с наземным экспериментом — в предположении (37)

Скачать (146KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024