利用 Advanced LIGO 通过双星并合搜寻轴子的前景

LIGO/VIRGO 对双中子星并合引力波的观测及相关的电磁对应体，提供了对轨道动力学的高精度检验，因此成为对额外力与新辐射自由度的灵敏新探针。轴子是标准模型扩展中一类特别有动机的、导致新力与辐射源的例子，本文聚焦于此类粒子。利用有效场论（EFT）方法，我们计算了在存在轴子时双中子星并合轨道动力学、辐射功率与引力波形的首阶后牛顿修正。该结果适用于许多向广义相对论添加额外有质量标量自由度的理论。随后我们详细预测了 Advanced LIGO 约束该 EFT 自由参数的潜力，并将其映射到轴子质量 $m_a$ 与衰变常数 $f_a$。在设计灵敏度下，我们发现 Advanced LIGO 有可能排除 $m_a \lesssim 10^{-11} \ {\rm eV}$ 且 $f_a \sim (10^{14} - 10^{17}) \ {\rm GeV}$ 的轴子。在此参数空间区域存在多种互补观测探针，包括双脉冲星轨道衰减、黑洞超辐射与实验室搜寻。我们评述了这些不同观测之间的协同作用。