Theories of modified gravity, where light scalars with non-trivial self-interactions and non-minimal couplings to matter-chameleon and symmetron theories-dynamically suppress deviations from general relativity in the solar system. On other scales, the environmental nature of the screening means that such scalars may be relevant. The highly-nonlinear nature of screening mechanisms means that they evade classical fifth-force searches, and there has been an intense effort towards designing new and novel tests to probe them, both in the laboratory and using astrophysical objects, and by reinterpreting existing datasets. The results of these searches are often presented using different parametrizations, which can make it difficult to compare constraints coming from different probes. The purpose of this review is to summarize the present state-of-the-art searches for screened scalars coupled to matter, and to translate the current bounds into a single parametrization to survey the state of the models. Presently, commonly studied chameleon models are well-constrained but less commonly studied models have large regions of parameter space that are still viable. Symmetron models are constrained well by astrophysical and laboratory tests, but there is a desert separating the two scales where the model is unconstrained. The coupling of chameleons to photons is tightly constrained but the symmetron coupling has yet to be explored. We also summarize the current bounds on f(R) models that exhibit the chameleon mechanism (Hu and Sawicki models). The simplest of these are well constrained by astrophysical probes, but there are currently few reported bounds for theories with higher powers of R. The review ends by discussing the future prospects for constraining screened modified gravity models further using upcoming and planned experiments.

We outline the experimental concept and key scientific capabilities of AION (Atom Interferometer Observatory and Network), a proposed experimental programme using cold strontium atoms to search for ultra-light dark matter, to explore gravitational waves in the mid-frequency range between the peak sensitivities of the LISA and LIGO/Virgo/ KAGRA/INDIGO/Einstein Telescope/Cosmic Explorer experiments, and to probe other frontiers in fundamental physics. AION would complement other planned searches for dark matter, as well as probe mergers involving intermediate-mass black holes and explore early-universe cosmology. AION would share many technical features with the MAGIS experimental programme, and synergies would flow from operating AION in a network with this experiment, as well as with other atom interferometer experiments such as MIGA, ZAIGA and ELGAR. Operating AION in a network with other gravitational wave detectors such as LIGO, Virgo and LISA would also offer many synergies.

The grand challenges of contemporary fundamental physics---dark matter, dark energy, vacuum energy, inflation and early universe cosmology, singularities and the hierarchy problem---all involve gravity as a key component. And of all gravitational phenomena, black holes stand out in their elegant simplicity, while harbouring some of the most remarkable predictions of General Relativity: event horizons, singularities and ergoregions. The hitherto invisible landscape of the gravitational Universe is being unveiled before our eyes: the historical direct detection of gravitational waves by the LIGO-Virgo collaboration marks the dawn of a new era of scientific exploration. Gravitational-wave astronomy will allow us to test models of black hole formation, growth and evolution, as well as models of gravitational-wave generation and propagation. It will provide evidence for event horizons and ergoregions, test the theory of General Relativity itself, and may reveal the existence of new fundamental fields. The synthesis of these results has the potential to radically reshape our understanding of the cosmos and of the laws of Nature. The purpose of this work is to present a concise, yet comprehensive overview of the state of the art in the relevant fields of research, summarize important open problems, and lay out a roadmap for future progress.

Abstract We propose in this White Paper a concept for a space experiment using cold atoms to search for ultra-light dark matter, and to detect gravitational waves in the frequency range between the most sensitive ranges of LISA and the terrestrial LIGO/Virgo/KAGRA/INDIGO experiments. This interdisciplinary experiment, called Atomic Experiment for Dark Matter and Gravity Exploration (AEDGE), will also complement other planned searches for dark matter, and exploit synergies with other gravitational wave detectors. We give examples of the extended range of sensitivity to ultra-light dark matter offered by AEDGE, and how its gravitational-wave measurements could explore the assembly of super-massive black holes, first-order phase transitions in the early universe and cosmic strings. AEDGE will be based upon technologies now being developed for terrestrial experiments using cold atoms, and will benefit from the space experience obtained with, e.g., LISA and cold atom experiments in microgravity. KCL-PH-TH/2019-65, CERN-TH-2019-126

Galileon inflation is a radiatively stable higher derivative model of inflation. The model is determined by a finite number of relevant operators which are protected by a covariant generalization of the Galileon shift symmetry. We show that the nongaussianity of the primordial density perturbation generated during an epoch of Galileon inflation is a particularly powerful observational probe of these models and that, when the speed of sound is small, fNL can be larger than the usual result fNL ~ 1/c_s^2.

Abstract The Physics Beyond Colliders initiative is an exploratory study aimed at exploiting the full scientific potential of the CERN’s accelerator complex and scientific infrastructures through projects complementary to the LHC and other possible future colliders. These projects will target fundamental physics questions in modern particle physics. This document presents the status of the proposals presented in the framework of the Beyond Standard Model physics working group, and explore their physics reach and the impact that CERN could have in the next 10–20 years on the international landscape.

Abstract Dynamical theories of dark energy predict new degrees of freedom with particular environmental sensitivity to avoid constraints on fifth forces. We show that the similar, yet complementary multi-purpose detector setup of the ATLAS and CMS experiments provides a unique opportunity to place sensitivity on such scenarios in a narrow, yet relevant parameter range. Furthermore, our investigation gives rise to a novel phenomenological signature that the LHC experiments can pursue to exploit their complementary detector design from a BSM perspective.