来自 LIGO-Virgo 第三次观测运行的标量场暗物质上限

如果暗物质是一种与基本粒子弱相互作用的轻标量场，则该场会诱导物理常数的振荡，从而对宏观物体产生随时间变化的力。在本文中，我们报告了在两次 LIGO 探测器第三次观测运行（O3）数据中对此类信号的搜寻。我们关注标量场质量在 $10^{-13}-10^{-11}~{\rm eV}$ 范围内，此时信号落在探测器的灵敏频段内。我们首先构造了可与公开数据直接比较的互相关统计量。研究发现，考虑由太阳系在银河系中运动引起的暗物质速度分布各向异性后，信号增强了约 $\sim 2$ 倍，但在 $\simeq 3\times 10^{-13}~{\rm eV}$ 附近的窄质量范围内例外，此时位于 Livingston 与 Hanford 的干涉仪之间的相关性被抑制。基于信号未探测到，我们针对五种代表性情形推导了基本粒子与标量场之间耦合常数的上限。在所有弱等效原理不被满足的情形中，弱等效原理违背的检验给出了最紧的耦合常数上限。来自第五力实验的上限始终强于 LIGO 的结果，但在大质量区间差异小于约 $\sim 5$ 倍。我们的研究证明引力波实验正开始为我们带来关于暗物质本质的有意义信息。本文给出的公式也可应用于未来实验的数据，并有望探测该模型更宽得多的参数范围。