Search for dark energy and modified gravity with tabletop experiments

Abstract

Scalar fields, ubiquitous in theoretical physics, hold significant promise both theoretically and experimentally. They arise in higher-dimensional frameworks like string theory and play pivotal roles in diverse phenomena, including endowing mass to weak interaction gauge bosons via the Higgs mechanism, driving cosmic inflation, and shedding light on enigmatic concepts such as dark matter and dark energy. Of particular interest are light scalar fields, prevalent in cosmological contexts, which could potentially introduce a fifth force akin to gravity. However, stringent constraints from local gravity tests necessitate careful consideration. The existence of such scalar fields demands either exceedingly weak couplings to matter through fine-tuning or the incorporation of mechanisms that account for the absence of observed fifth forces.This thesis focuses on scalar field theories equipped with screening mechanisms, exemplified by models like chameleon, symmetron, and environment-dependent dilaton fields. These mechanisms render the fifth force weak in dense environments while allowing its manifestation in low-density settings.To explore these theories, vacuum tabletop experiments emerge as optimal tools due to their high precision and since they usually operate in vacuum. However, the nonlinear nature of the governing equations presents significant theoretical challenges.The primary objective of this work is to develop theoretical and numerical techniques tailored for studying screened scalar fields within the framework of tabletop experiments, particularly those associated with TU Wien. These experiments, including neutron interferometry, gravity resonance spectroscopy (qBounce), and the Casimir And Non-Newtonian force EXperiment (cannex), are suited to probe screened scalar fields. Additionally, an analysis of Lunar LaserRanging (LLR) within this context is conducted.A key focus lies on investigating the relatively less explored environment-dependent dilaton model, whose self-interaction potential naturally arises in the strong coupling limit of string theory.The culmination of this research involves deriving parameter constraints for the environmentdependent dilaton, chameleon, and symmetron models, thereby contributing to a deeper understanding of screened scalar fields and their implications in theoretical and experimental physics.

Skalarfelder sind sowohl durch die theoretische als auch die experimentelle Physik gut motiviert. Sie werden von höherdimensionalen Theorien wie der Stringtheorie vorhergesagt, erklären die Masse der Eichbosonen der schwachen Wechselwirkung und können dazu dienen, die kosmische Inflation anzutreiben oder Modelle für dunkle Materie oder dunkle Energie zu konstruieren. Leichte Skalarfelder, wie sie häufig in der Kosmologie auftreten, können zu einer gravitationsähnlichen fünften Kraft führen. Die Existenz solcher Skalarfelder erfordert entweder äußerst schwache Kopplungen an Materie durch die Feinabstimmung von Parametern oder die Integration von Mechanismen, die das Fehlen beobachteter fünfter Kräfte erklären, um nicht im Widerspruch zu experimentellen Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie zu stehen.Der Fokus dieser Arbeit liegt auf Skalarfeldern mit einem sogenannten Screening-Mechanismus, wie ihn zum Beispiel das Chameleon-, Symmetron- oder Dilatonfeld besitzen. Diese Mechanismen sorgen dafür, dass die fünfte Kraft bei hohen Materiedichten unterdrückt wird, aber im Vakuum stark werden kann.Tabletop Experimente im Vakuum sind besonders gut geeignet, um nach solchen Feldern zu suchen. Die Kombination ihrer sehr hohen Messgenauigkeit mit der Vakuumumgebung macht sie zu mächtigen Werkzeugen bei der Suche nach Skalarfeldern. Allerdings ist die theoretische Berechnung dieser Felder äußerst schwierig, da ihre Bewegungsgleichungen nichtlinear sind.Der Hauptfokus dieser Arbeit liegt darauf, theoretische und numerische Methoden zu entwickeln, um Tabletop Experimente, die mit der TU Wien assoziiert sind, zu analysieren. Dazu gehören die Neutroneninterferometrie, Gravitationsresonanzspektroskopie (qBounce) und das Casimir and Non-Newtonian Force Experiment (cannex). Diese Experimente wurden unter anderem mit dem Ziel aufgebaut, nach fünften Kräften zu suchen. Die Untersuchungen werden durch eine Analyse von Lunar Laser Ranging (LLR) ergänzt.Ein wesentlicher Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung des Dilatonmodells, das im Grenzfall starker Kopplung von der Stringtheorie erwartet wird.Die entwickelten Methoden werden angewandt, um den Parameterraum des Dilaton-, Symmetron- und Chameleonfeldes einzuschränken und das experimentelle und theoretische Verständnis dieser Felder zu fördern.