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.

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

© Российская академия наук, 2024

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах