Principles of the wave dark matter detection in gravitational redshift experiments in the Solar System

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

We explore the possibility of using measurements of the gravitational redshift effect as a means to constrain wave dark matter – a class of models in which the dark matter is accounted for by light scalar particles that behave like classical waves. We construct a mathematical framework that is appropriate for clock comparison experiments with remote clocks and can be used to determine the values of the coupling constants of such dark matter with particles of the Standard Model. Using this framework, we consider an experiment to detect dark matter of the Galactic halo using two satellites equipped with accurate and stable atomic clocks and placed into elliptical heliocentric orbits. We demonstrate that, in most cases, the accuracy of this experiment turns out to be not better than that of ground-based experiments with colocated clocks. The limitation of theaccuracy of the space-based experiment is found to be due to the non-relativistic Doppler compensation system, required when using moving clocks, which decreases the amplitude of the useful signal. Possible solutions to this problem are discussed.

Full Text

Restricted Access

About the authors

S. V. Pilipenko

P. N. Lebedev Physical Institute of the Russian academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: spilipenko@asc.rssi.ru
Russian Federation, Moscow

D. A. Litvinov

P. N. Lebedev Physical Institute of the Russian academy of Sciences

Email: spilipenko@asc.rssi.ru
Russian Federation, Moscow

M. V. Zakhvatkin

P. N. Lebedev Physical Institute of the Russian academy of Sciences; Keldysh Institute of Applied Mathematics

Email: spilipenko@asc.rssi.ru
Russian Federation, Moscow; Moscow

A. I. Filetkin

P. N. Lebedev Physical Institute of the Russian academy of Sciences; Lomonosov Moscow State University, Sternberg Astronomical Institute

Email: spilipenko@asc.rssi.ru
Russian Federation, Moscow; Moscow

References

  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).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Supplementary
Download (1MB)
Indexing metadata
3. Fig. 1. Orbital configuration of two satellites. Both satellites move anti-clockwise. The first satellite is shown at the moments of sending time tB′ and receiving signal tB (the time interval between these moments is multiplied for clarity). The second satellite is shown at the moment of retransmission of the received signal tA. The solid arrows show a two-path signal, the dashed arrow - a single-path signal

Download (182KB)
Indexing metadata
4. Fig. 2. Constraints on the coupling constant γ(i) of the dilaton field φ identified with TM. On the left is linear coupling (i = 1), on the right is quadratic coupling (i = 1). The constant γ(i) is defined according to (22). The solid line is the experiment with two satellites in near-solar orbits, the dashed line is the experiment with two colocated clocks on the Earth (results of this paper). In the latter case, the screening predicted in [18] is taken into account. Shaded area - previously obtained constraints on γ(i) in the experiments with atomic clocks and tests of the ESE. Comparison with the previously obtained constraints is made under assumption (23), with the ground-based experiment - under assumption (37)

Download (146KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 The Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».