TWO-PHOTON GRAVITON CONVERSION ON BOUND ATOMIC STATES

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

A quantum field approach is developed, combining relativistic electrodynamics and linearized quantum gravity in application to the problem of electromagnetic graviton conversion on bound atomic states. A hydrogen atom is used as an example, and the process of inelastic graviton scattering on an atomic electron with subsequent re-emission of two photons is considered. Expressions for the process cross-section and angular correlations are obtained. The prospects for experimental detection of two- photon graviton conversion using optical amplification of weak signals are discussed.

About the authors

T. A. Zalyalyutdinov

Saint Petersburg State University; Konstantinov Petersburg Nuclear Physics Institute, NRC "Kurchatov Institute"

Email: zalialiutdinov@gmail.com
Russian Federation, 198504, Saint Petersburg; 188300, Gatchina, Leningrad Region

V. K. Dubrovich

Special Astrophysical Observatory, Saint Petersburg Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: t.zalialiutdinov@spbu.ru
Russian Federation, 196140, Saint Petersburg

D. A. Solov'ev

Saint Petersburg State University; Konstantinov Petersburg Nuclear Physics Institute, NRC "Kurchatov Institute"

Author for correspondence.
Email: t.zalialiutdinov@spbu.ru
Russian Federation, 198504, Saint Petersburg; 188300, Gatchina, Leningrad Region

References

  1. S. Weinberg, Gravitation and Cosmology: Principles and Applications of the General Theory of Relativity, Wiley (1972).
  2. A. Lightman, W. Press, R. Price, and S. Teukol-sky, Problem Book in Relativity and Gravitation, Princeton University Press (2017).
  3. S. Bose, I. Fuentes, A. A. Geraci, S.M. Khan, S. Qvarfort, M. Rademacher, M. Rashid, M. Toros, H. Ulbricht, and C.C. Wanjura, Massive Quantum Systems as Interfaces of Quantum Mechanics and Gravity, arXiv: 2311.09218 [quant-ph].
  4. N. Arkani-Hamed, S. Dimopoulos, and G. Dvali, The Hierarchy Problem and New Dimensions at a Millimeter, Phys.Lett.B 429, 263 (1998).
  5. S. Dimopoulos and G. Landsberg, Black Holes at the Large Hadron Collider, Phys. Rev. Lett. 87, 161602 (2001).
  6. S. Bose, A. Mazumdar, G. W. Morley, H. Ulbricht, M. Toros, M. Paternostro, A. A. Geraci, P. F. Barker, M. S. Kim, and G. Milburn, Spin Entanglement Witness for Quantum Gravity, Phys. Rev. Lett. 119, 240401 (2017).
  7. F. Gunnink, A. Mazumdar, M. Schut, and M. Toros, Gravitational Decoherence by the Apparatus in the Quantum-Gravity-Induced Entanglement of Masses, Class. Quant. Grav. 40, 235006 (2023).
  8. T.W. van de Kamp, R. J. Marshman, S. Bose, and A. Mazumdar, Quantum Gravity Witness via Entanglement of Masses: Casimir Screening, Phys. Rev. A 102, 062807 (2020).
  9. S.G. Elahi and A. Mazumdar, Probing Massless and Massive Gravitons via Entanglement in a Warped Extra Dimension, Phys. Rev. D 108, 035018 (2023).
  10. L. Asprea, A. Bassi, H. Ulbricht, and G. Gasbarri, Gravitational Decoherence and the Possibility of Its Interferometric Detection, Phys. Rev. Lett. 126, 200403 (2021).
  11. G. Amelino-Camelia, J. Ellis, N. E. Mavromatos, D.V. Nanopoulos, and S. Sarkar, Tests of Quantum Gravity from Observations of Г-Ray Bursts, Nature 393, 763 (1998).
  12. M. Kamionkowski and E. D. Kovetz, The Quest for B Modes from Inflationary Gravitational Waves, Ann. Rev. Astron. Astrophys. 54, 227 (2016).
  13. E. Komatsu, Hunting for Primordial Non-Gaussianity in the Cosmic Microwave Background, Class. Quant. Grav. 27, 124010 (2010).
  14. R. Lieu and L. W. Hillman, The Phase Coherence of Light from Extragalactic Sources: Direct Evidence against First-Order Planck-Scale Fluctuations in Time and Space, Astrophys. J. 585, 77 (2003).
  15. R. Ragazzoni, M. Turatto, and W. Gaessler, The Lack of Observational Evidence for the Quantum Structure of Spacetime at Planck Scales, Astrophys. J. 587, 1 (2003).
  16. F. Dyson, Is a Graviton Detectable?, Int. J. Mod. Phys. A 28, 1330041 (2013).
  17. S. Boughn and T. Rothman, Aspects of Graviton Detection: Graviton Emission and Absorption by Atomic Hydrogen, Class. Quant. Grav. 23, 5839 (2006).
  18. T. Rothman and S. Boughn, Can Gravitons Be Detected?, Found. Phys. 36, 1801 (2006).
  19. G. Tobar, S. K. Manikandan, T. Beitel, and I. Pikovski, Detecting Single Gravitons with Quantum Sensing, arXiv: 2308.15440 [quant-ph].
  20. L. M. Krauss and F. Wilczek, Using Cosmology to Establish the Quantization of Gravity, Phys. Rev. D 89, 047501 (2014).
  21. L. Landau and E. Lifshitz, The Classical Theory of Fields, Vol. 2, Course of Theoretical Physics, Elsevier Science (1975).
  22. J. F. Donoghue, M. M. Ivanov, and A. Shkerin, EPFL Lectures on General Relativity as a Quantum Field Theory, arXiv: 1702.00319 [hepth].
  23. J. P. Pitelli and T. R. Perche, Angular Momentum Based Graviton Detector, Phys. Rev. D 104, 065016 (2021).
  24. J. Ramos, M. de Montigny, and F. C. Khanna, On a Lagrangian Formulation of Gravitoelectromagne-tism, Gen. Relat. Grav. 42, 2403 (2010).
  25. S.Y. Choi, J.S. Shim, and H.S. Song, Factorization and Polarization in Linearized Gravity, Phys. Rev. D 51, 2751 (1995).
  26. J.F. Donoghue, The Effective Field Theory Treatment of Quantum Gravity, in AIP Conf. Proc. 1483, 73 (2012).
  27. D. Prinz, Gravity-Matter Feynman Rules for Any Valence, Class. Quant. Grav. 38, 215003 (2021).
  28. O.Y. Andreev, L. N. Labzowsky, G. Plunien, and D. A. Solovyev, QED Theory of the Spectral Line Profile and Its Applications to Atoms and Ions, Phys. Rep. 455, 135 (2008).
  29. A. Anikin, T. Zalialiutdinov, and D. Solovyev, Angular Correlations in Two-Photon Spectroscopy of Hydrogen, Phys. Rev. A 103, 022833 (2021).
  30. A. I. Akhiezer and V. B. Berestetskii, Quantum Electrodynamics, Wiley-Interscience, New York (1965).
  31. U.D. Jentschura, Nonresonant Two-Photon Transitions in Length and Velocity Gauges, Phys. Rev.A 94, 022117 (2016).
  32. U. D. Jentschura and C. M. Adhikari, Relativistic and Radiative Corrections to the Dynamic Stark Shift: Gauge Invariance and Transition Currents in the Velocity Gauge, Phys. Rev. A 97, 062120 (2018).
  33. D. A. Varshalovich, A. N. Moskalev, and V. K. Khersonskii, Quantum Theory of Angular Momentum, World Scientific, Singapore (1988).
  34. D. Solovyev and L. Labzowsky, Two-Photon Approximation in the Theory of Electron Recombination in Hydrogen, Phys. Rev. A 81, 062509 (2010).
  35. W. L. Wiese and J. R. Fuhr, Accurate Atomic Transition Probabilities for Hydrogen, Helium, and Lithium, J. Phys. Chem. Ref. Data 38, 565 (2009).
  36. L. A. Anchordoqui, I. Antoniadis, and D. LUst, The Dark Universe: Primordial Black Hole — Dark Graviton Gas Connection, Phys. Lett. B 840, 137844 (2023).
  37. A. Ireland, S. Profumo, and J. Scharnhorst, Primordial Gravitational Waves from Black Hole Evaporation in Standard and Nonstandard Cosmologies, Phys. Rev. D 107, 104021 (2023).
  38. J. Hu and H. Yu, High Frequency Background Gravitational Waves from Spontaneous Emission of Gravitons by Hydrogen and Helium, Europ. Phys.J.C 81, 470 (2021).
  39. В.П. Быков, В. К. Дубрович, Отношение сигнал-шум при однофотонных и многофотонных переходах, Кратк. сообщ. по физике ФИАН 9, 11 (1989).
  40. В.П. Быков, Релаксация при оптическом детектировании, Крат. сообщ. по физике ФИАН 9, 10 (1999).
  41. В.П. Быков, Фотоотсчеты и лазерное детектирование слабых оптических сигналов, УФН 175, 495 (2005).
  42. В. П. Быков, Лазерная электродинамика, Физ-матлит, Москва (2006).
  43. V. P. Bykov and S. S. Postnov, Specific Features of the Quantum Picture of Laser Detection of Optical Signals, Phys. Wave Phenomena 2, 81 (2010).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 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».