[論文レビュー] Constraining Variations in the Fine-structure Constant, Quark Masses and the Strong Interaction

M. T. Murphy, V. V. Flambaum+4 more|ArXiv.org|Oct 11, 2003

Relativity and Gravitational Theory参考文献 6被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、赤方偏移 0.2 < z < 4.2 の範囲にわたる 143 系統の Keck/HIRES ダイアグラム銀河赤方偏移スペクトルを用いて、微細構造定数 α の空間的・時間的変動に関する証拠を提示している。重み付き平均の変動は Δα/α = (−0.57 ± 0.11) × 10⁻⁵ である。研究では、原子遷移波長のずれを検出するために多数多重法が用いられ、特にマグネシウムの同素体組成の変動といった系統的誤差を制約している。また、原子時計実験からクォーク質量および QCD スケールの変動に関する制限も導出している。

ABSTRACT

We present evidence for variations in the fine-structure constant from Keck/HIRES spectra of 143 quasar absorption systems over the redshift range 0.2 &lt; z_abs &lt; 4.2. This includes 15 new systems, mostly at high-z (z_abs &gt; 1.8). Our most robust estimate is a weighted mean da/a=(-0.57 +/- 0.11)x10^{-5}. We respond to recent criticisms of the many-multiplet method used to extract these constraints. The most important potential systematic error at low-z is the possibility of very different Mg heavy isotope abundances in the absorption clouds and laboratory: {\it higher} abundances of {25,26}Mg in the absorbers may explain the low-z results. Approximately equal mixes of {24}Mg and {25,26}Mg are required. Observations of Galactic stars generally show {\it lower} {25,26}Mg isotope fractions at the low metallicities typifying the absorbers. Higher values can be achieved with an enhanced population of intermediate mass stars at high redshift, a possibility at odds with observed absorption system element abundances. At present, all observational evidence is consistent with the varying-alpha results. Another promising method to search for variation of fundamental constants involves comparing different atomic clocks. Here we calculate the dependence of nuclear magnetic moments on quark masses and obtain limits on the variation of alpha and m_q/Lambda_QCD from recent atomic clock experiments with hyperfine transitions in H, Rb, Cs, Hg+ and an optical transition in Hg+.

研究の動機と目的

• 宇宙時間における微細構造定数 α や比 m_q/Λ_QCD が変動するという仮説を検証すること。
• Keck望遠鏡の高分解能銀河赤方偏移吸収スペクトルを用いて、α 変動に関する強固な観測的制限を提供すること。
• 特に吸収体と地球上でのマグネシウムの同素体組成の違いに起因する、多数多重法における潜在的系統的誤差を扱うこと。
• 高精度原子時計実験を用いて、クォーク質量が QCD スケールに対してどのように変動するかの制限を導出すること。
• 大統一理論の枠組み内で、天体的測定と実験室測定の両方からの α および m_q/Λ_QCD 変動の制限を比較すること。

提案手法

• 微細構造定数 α に敏感な原子遷移波長のずれを検出するために、143 系統の銀河赤方偏移吸収系の Keck/HIRES スペクトルに多数多重法（MM）が適用された。
• 異なる元素および多重項からの遷移を比較することで、α 依存性の異なる信号を抽出し、Δα/α を推定した。
• 理論的モデルによりエネルギーシフトが α および m_q/Λ_QCD と関連づけられ、相対論的補正および量子色力学から導かれた依存性が用いられた。
• 同素体組成の変動（特に ²⁵,²⁶Mg）は潜在的系統的誤差としてモデル化され、星の観測および銀河化学進化モデルから制限が得られた。
• 水素、ルビジウム、セシウム、Hg⁺ のハイパーファイント遷移および Hg⁺ の光学遷移を用いた実験室の原子時計実験により、α および m_q/Λ_QCD 変動に関する制限が導出された。
• クォーク質量に依存する核スピン磁気モーメントの計算により、原子時計測定と基本定数の変動を結びつけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河赤方偏移線スペクトルの結果が示唆するように、微細構造定数 α は宇宙時間にわたって変動しているのだろうか？
• RQ2 高赤方偏移吸収雲におけるマグネシウム（特に ²⁵,²⁶Mg）の同素体組成の変動が、顕著な α 変動を説明できるのだろうか？
• RQ3 特に低赤方偏移領域において、観測された α 変動結果は系統的誤差に対して頑健であるのだろうか？
• RQ4 原子時計実験から、クォーク質量が QCD スケール（m_q/Λ_QCD）に対してどのように変動するかの制限をどの程度得られるのだろうか？
• RQ5 大統一理論の枠組み内で、天体的制限と理論的モデルの間で、α および m_q/Λ_QCD 変動の制限はどのように一致するのだろうか？

主な発見

• 微細構造定数の重み付き平均変動は、赤方偏移 0.2 < z < 4.2 の 143 系統の銀河赤方偏移吸収系に基づき、Δα/α = (−0.57 ± 0.11) × 10⁻⁵ である。
• 低赤方偏移、高赤方偏移、および統合された三つの独立した観測サンプルが一貫した結果を示しており、系統的誤差に対して内部的に頑健であることが示された。
• 吸収体における ²⁵,²⁶Mg の高い割合（Γ²⁵,²⁶Mg ≈ 0.5）が低赤方偏移結果を説明できるが、このような値は観測された低金属量星の同素体組成および銀河化学進化モデルと矛盾する。
• 高赤方偏移結果は ²⁹,³⁰Si 同素体組成に敏感ではなく、ケイ素同素体に起因する系統的誤差の懸念が軽減された。
• 原子時計実験から、パラメータ U = α⁶[m_e/Λ_QCD][m_q/Λ_QCD]⁰.¹ に対する制限 |(1/U)(dU/dt)| < 7 × 10⁻¹⁵ yr⁻¹ が得られた。U は α および m_q/Λ_QCD 変動に敏感である。
• Cs/H および Hg⁺ 時計の比較から、パラメータ X_H = α⁰.⁸³[m_q/Λ_QCD]⁰.² に対する制限 |(1/X_H)(dX_H/dt)| < 5.5 × 10⁻¹⁴ yr⁻¹ が導出された。