Модели Horndesky/Galileons в астрономии и физике высоких энергийНИР

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Модели Horndesky/Galileons в астрономии и физике высоких энергий
Результаты этапа: Задача 1 За предыдущий год были получены 4 пост-кеплеровских параметра для теории гравитации Horndeski методом, предложенным в статье Damour, T., and Taylor, J. H., Phys. Rev. D, 45, 1840 (1992).Метод был применен и к модели Гаусса-Боннэ, и к f(R)-гравитации, которая может быть сведена к частному случаю теории Horndeski. По результатам работы готовится статья. Задача 2 Рассмотрено поведение безмассовых и массивных частиц вблизи черной дыры в модели Horndeski/Galileons. Показано, что первый вид релятивистских орбит, соответствующих круговой и эллиптической, может отсутствовать для некоторых типов решений. Это патологическое поведение противоречит моделям аккреции на черную дыру и наблюдениям в Солнечной системе. Результаты опубликованы в материалах конференции Кварки-2016. Публикация D.Tretyakova, D.Melkoserov, T. Adyev, Horndeski scalar-tensor black hole geodesics, EPJ Web Conf. 125 (2016) 03021 (2016-10-28). Рассмотрены наблюдательные проявления асимптотических деСиттеровских ветвей статических сферически симметричных решений Horndeski /Galileons. Показано, что возможные отклонения размеров тени вблизи черной дыры, по сравнению со значениями из метрики Шварцшильда, слишком малы для современных радио-интерферометрических наблюдений. Эти отклонения сильно подавлены пределом слабого поля, получающимся из наблюдений. Таким образом, размер теней не является ключевой характеристикой для наблюдательного поиска моделей Horndeski /Galileon в астрономии в ближайшем будущем. По результатам подготовлена статья D.A. Tretyakova, T.M. Adyev, Horndeski/Galileon black hole shadows, e-Print: arXiv:1610.07300, проходит рецензию в журнале. Рассмотрены геодезические для черных дыр в модели Horndeski/Galileon c неминимальной кинетической структурой связи. Показано, что связанные орбиты не реализуются во всем диапазоне параметров модели. Используя данные наблюдений, поставлены оценки на возможные значения параметров решения, а также начальные параметры модели. По результатам подготовлена статья D.A. Tretyakova, Horndeski black hole observational properties, e-Print: arXiv:1606.08569, проходит рецензию в журнале. Задача 3 Модели Horndeski /Galileons можно рассматривать как обобщение общей теории относительности в режиме физики высоких энергий. Таким образом, можно искать ее проявления в экспериментах по столкновениям элементарных частиц. Так как частицы, описываемые моделями Horndeski/Galileons, не принимают участие во взаимодействиях, описываемых Стандартной Моделью, был рассмотрен механизм, позволяющий им оказывать влияние на процессы физики частиц. Показана возможность сузить рассматриваемый класс моделей Horndeski/Galileons до узкого подкласса моделей Fab Four -- класса John (оригинальная терминология построена на аналогии со знаменитой ливерпульской четверкой – группой Битлз (Beatles), параметры названы именами участников группы). Установлено дополнительное ограничение на модели с постоянной связью. По результатам подготовлена статья B.Latosh, Horndeski /Galileon in high energy collisions, e-Print: arXiv:1610.02211, проходит рецензию в журнале.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Модели Horndesky/Galileons в астрономии и физике высоких энергий
Результаты этапа: Перед представлением результатов, полученных нами в рамках настоящего проекта в 2017 году, необходимо сделать следующее замечание. 17 августа 2017 года сработали гравитационные детекторы установок LIGO и VIRGO, в результате которого были зарегистрированы гравитационные волны от слияния нейтронных звезд (например, LIGO Scientific and Virgo and Fermi-GBM and INTEGRAL Collaborations, Astrophys.J. 848 (2017) no.2, L13). Сигнал от этого астрономического события был зарегистрирован в гамма и радиодиапазонах. Одним из важнейших результатов является разница времени прихода гравитационного и оптического сигналов, составляющее ~1.7 секунды. Этот новый экспериментальный результат можно считать еще одним тестом для моделей гравитации. Прежде всего, этот результат полностью согласуется с общей теорией относительности (ОТО). Важно подчеркнуть, что часть моделей, включая некоторые из моделей Хорндески, не согласуются с этим результатом, и поэтому необходимо признать их маргинальность. Например, в соответствии с Jose María Ezquiaga, Miguel Zumalacárregui, Phys.Rev.Lett. 119 (2017) no.25, 251304, "GW170817 исключает ковариантные галилеоны ... Результат можно распространить на quartic и quintic Horndeski, большинство моделей beyond Horndeski и векторные модели, например, TeVeS... Только простые модели Horndeski и некоторые, специально подобранные beyond Horndeski остаются как возможная основа для построения моделей темной энергии ... В моделях с точной подстройкой можно обойти полученные ограничения только вводя специфическую тензорную структуру модели.". Поэтому прошу Фонд обратить внимание, что часть статей настоящего отчета были написаны и опубликованы ДО появления этих результатов. В литературе встречаются и другие комментарии, а более подробный анализ применимости наших результатов будет сделан в следующем году (в случае одобрения Фондом настоящего отчета). В отчетном 2017 году в рамках настоящего проекта нами получены следующие результаты. По направлению 1 В 2017 году под руководством Алексеева С.О. Дядиной П.И. и Лабазовой С.П. для разработки и проведения теоретических тестов скалярно-тензорных моделей гравитации был получен постньютоновский предел гибридной f(R)-гравитации в приближениях как материальной точки, так и идеальной жидкости. Результат является уникальным и, на данный момент, никому другому в мире этого не удалось. Найдены все 10 постньютоновских параметров. Работа была представлена в виде устного доклада на конференции 2 и в виде постерного доклада на конференции 3. На данный момент мы уточняем все полученные нами ограничения (при этом, получение точных значений постньютоновских параметров можно считать самостоятельным результатом), поэтому точных цифр мы сейчас здесь не приводим и готовим к публикации статью. В 2017 году под руководством Алексеева С.О. Авдеевым Н.А. и Дядиной П.И. получены первая производная орбитального периода и поток энергии, уносимый гравитационными волнами из двойной системы с пульсаром для теории гравитации Хорндески. На основании этих расчетов модель Хорндески проверена на системе PSR J0737−3039. На данный момент мы уточняем все полученные нами ограничения, поэтому точных цифр сейчас здесь не приводим, и готовим к публикации еще одну статью. Необходимо заметить, что с самого начала по направлению 1 мы ориентировались как раз на те, наиболее облегченные модели Хордески, которые "выжили" после появления результатов GW170817. По направлению 2 В 2017 году Третьяковой Д.А.совместно с коллегой из Японии рассмотрена устойчивость решений типа чёрная дыра в моделях Хорндески со сдвиговой симметрией. Впервые получены точные критерии стабильности для конкретных решений в модели со взаимодействием скалярного поля с гравитационным в виде произведения кинетического члена скалярного поля на тензор Эйнштейна. Показано, что чёрные дыры могут быть стабильны только в анти Де ситтеровском секторе параметров. Хотя эти решения с линейно зависящими от времени скалярными полями обычно страдают от неустойчивости фантомного поля, есть еще один класс решений, обходящих неустойчивость. Помимо обычного трюка с полаганием коэффициента G4 равным константе, предложено новое решение, имеющее линейно зависящий от времени скалярный профиль, а также точной подбором параметров. Для решений со статическим скалярным профилем, где общая неустойчивость отсутствует, мы рассмотрены теории с неминимальной связью с тензором Эйнштейна. Полученная область параметров суммируется в таблице 1 из статьи [2] (список публикаций по проекту ниже), обеспечивая устойчивость для любого r. Отметим, что обсуждаются только необходимые условия устойчивости. Чтобы завершить исследование устойчивости, необходимо исследовать природу потенциальной части в квадратичном действии Результат опубликован в [2]. В 2017 году Третьяковой Д.А. предложен пример новой нетривиальной модели Хорндески, в которой условия устойчивости выполняются автоматически, а также разработана методика построения таких теорий. Показано, что черная дыра в такой модели может существенно отличаться от таковой в ОТО с наблюдательной точки зрения. Из требования согласия с наблюдательными данными необходимо наложить ряд ограничений: для некоторых значений параметров в пространстве-времени черной дыры невозможны круговые орбиты. Из данных по смещению частоты сигнала спутникового аппарата получено ограничение η/β < 7.2 · 10^{−29} м^{−2}, указывающее на большие значения β, так как параметр η может быть устранен переопределением скалярного поля. Отметим, что этот результат расходится с полученными ранее выводами других авторов, утверждающими, что β ≈ 10^{−58} м^2 для η = 1. Причины такого расхождения необходимо исследовать отдельно. В значительной степени изменяется структура аккреционного диска. В зависимости от значений параметров аккреционный диск оказывается расположен ближе или дальше по отношению к черной дыре, соответственно поток излучения либо возрастает на величину до 30 % для положительных B, либо аналогично уменьшается для B < 0. Этот эффект может быть использован в субмиллиметровых РСДБ-наблюдениях компактных объектов, которые в обозримом будущем уже достигнут необходимого разрешения. Результат опубликован в [5] и доложен на конференциях 4 и 5. В 2017 году Третьяковой Д.А. и Адыевым Т.М. рассмотрены наблюдательные ограничения ​на сферически-симметричные решения, накладываемые астрофизическими данными наблюдения центра галактики и наблюдениями в солнечной системе. Предварительно показана неотличимость вида теней для черных дыр от соответствующих шварцшильдовских значений. Подчеркнем, что это только предварительное рассмотрение, при планируемом нами более подробном рассмотрении результат может быть подкорректирован. Результат опубликован в [8] и доложен на конференциях 4 и 5. В 2017 году Алексеевым С.О., Латошем Б.Н. и Ечеистовым В.А. разработан метод проверки теорий по данным скоплений, используя поверхность нулевого ускорения. Метод мы применяем к моделям Хорндески. На данный момент метод апробирован на модели Старобинского с изчезающей космологической постоянной. Получены радиусы разворота для масс, характерных для скоплений галактик, как строгое ограничение сверху на размеры скоплений. В результате установлено, что зависимость радиуса разворота от массы объекта для модели Старобинского слабо отличается от полученной в рамках ОТО. Установлено, что радиус разворота возрастает с увеличением параметра $n$ для всех значений масс. Наблюдательные данные о размерах скоплений были получены из профилей плотности, построенных методом гравитационного линзирования. Но, несмотря на то, что некоторые модели давали значительно меньший, по сравнению с ОТО, радиус разворота, ни одна модель не вышла за пределы, заданные наблюдательными данными -- 20\% от радиуса, даваемого ОТО. Результат доложен на конференции 1 и опубликован [4] и [6] В 2017 году Алексеевым С.О. совместно с коллегой из Китайской народной республики произведена оценка возможности использования дополнительных скалярных полей в модели с поправками высших порядков по кривизне для проверки расширенной гравитации (включая модели Хорндески). Показано, что такой подход содержит внутренние противоречия: чтобы вывести значения минимальной массы черной дыры из планковского диапазона, необходим настольно большой рост скалярных полей, при котором вкладом поправок можно пренебрегать. Результат опубликован в [7]. По направлению 3. В 2017 году Б.Н. Латошем совместно с Абрузовым А.Б. изучены квантовые свойства моделей класса Fab Four, являющихся подклассом моделей Horndeski/Galileons. В классическом режиме лагранжианы класса Fab Four способны полностью экранировать космологическую постоянную. Комбинируя лагранжианы моделей Horndeski/Galileons лежащих внутри и вне класса Fab Four, можно построить модели, предоставляющие адекватное описание эволюции Вселенной от инфляции по позднего ускоренного расширения (A.A. Starobinsky, S.V. Sushkov, M.S. Volkov, JCAP 1606 (2016) no.06, 007). Показано, что в простейшем случае для перенормируемости модели необходимо введение нового контрчлена в исходный лагранжиан. Тем не менее, данный контрчлен также принадлежит классу Fab Four и не нарушает способности модели экранировать космологическую постоянную. Таким образом, класс моделей Fab Four обладает определённой устойчивость по отношению к квантовым поправкам и потенциально может быть использован в квантовом режиме (с учетом ограничений от GW170817). Результат опубликован в [3]. В 2017 году С.О.Алексеевым, Б.Н. Латошем совместно с Ксавье Кальме были изучены нелокальные гравитационные взаимодействия, описываемые в рамках эффективной теории поля, связанные петлевыми поправками от полей материи. Такие поправки приводят к появлению нового полюса в пропагаторе гравитона, что может быть интерпретировано как возникновение нового массивного гравитационно-связного состояния. Так как любой вид материи подвержен гравитационному взаимодействию, материальные поля могут обмениваться новым состоянием, что на языке эффективной теории поля описывается нелокальным взаимодействием. Из-за универсальности гравитационного взаимодействия нелокальные взаимодействия могут присутствовать в моделях Horndeski/Galileons и приводить к нарушению их свойств, таких как отсутствие духов и наличие уравнений движения второго порядка. Нами были вычислены все возможные нелокальные операторы, описываемые эффективной теорией поля, возникающие при взаимодействии полей произвольных спинов. Затем, используя последние данные Большого адронного коллайдера, установлены пределы масштаба нестационарного пространства-времени. Далее, нами показано, что пропагатор гравитона индуцирует нелокальные эффекты в теориях скалярного поля на малых расстояниях порядка $(120 \ pi / G N)^{1/2}$. Результат опубликован в [1].
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Модели Horndesky/Galileons в астрономии и физике высоких энергий
Результаты этапа:

Статьи по НИР

Доклады на конференциях по НИР