[論文レビュー] Detecting Seasonal Changes in the Fundamental Constants

Douglas J. Shaw|ArXiv.org|Feb 15, 2007

Advanced Frequency and Time Standards被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、微細構造定数αのような基本定数が変化する場合、地球の太陽回りの楕円軌道に起因して、実験室で測定された値に年間周期の揺らぎが生じる可能性を提案している。高精度な原子時計を用いることで、10−18〜10−23のレベルで検出可能なこれらの季節的変動は、標準模型を超える新しい物理学を明らかにし、変動するα理論と局所位置不変性の検証を区別する手段を提供する。

ABSTRACT

We show that if one or more of the `constants' of Nature can vary then their values, as measured in the laboratory, should oscillate over the year in a very particular way. These seasonal changes in the constants could well be detected, in the near future, with ground-based atomic clocks.

研究の動機と目的

• 微細構造定数αのような基本定数の変化が、実験室で測定される周波数基準に季節的変動を引き起こすかどうかを調査すること。
• 現在および近い将来の原子時計技術で、このような年間変動を検出可能かどうかを評価すること。
• 一部の定数変動モデルでは、季節的効果が線形時間ドリフトを上回ることがあり、正確なデータ解釈において極めて重要であることを示すこと。
• これらの変動の符号と大きさを測定することで、異なる変動するαの理論的モデルを区別する手法を提供すること。
• 局所位置不変性の制約を強化し、基本定数を規定するスカラー場の性質を明らかにすること。

提案手法

• 定数αを支配するスカラー場φの有効値における周期的モードを、地球の公軌道運動としてモデル化すること。
• φの非線形波動方程式（式1）を用いて、αがスカラー場および物質への結合に依存する関係を導出すること。
• 物質への結合パラメータζを仮定し、地球-太陽距離の関数としてαの年間変動を計算すること。
• 物質結合（V,ϕ/ω項）によって駆動されるφの進化の宇宙論的モデルを適用し、1年間でのαの予想される相対的変化を導出すること。
• 現在および予想される原子時計の安定性を用いて、これらの変動の検出可能性を推定し、Dyおよび299Th実験からの境界を含むこと。
• 年間変動の符号を用いて、バリオンおよびダーク物質のζを推定し、変動するα理論の区別を可能にすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地球-太陽距離の季節的変動が、実験室で測定される基本定数の値に検出可能な年間モードを引き起こすか？
• RQ2 これらの季節的揺らぎの大きさは、αの予想される線形時間ドリフトと比べてどの程度で、どのような条件下で支配的になるか？
• RQ3 物質密度に対するαの感度（ζ）の符号は、このような季節的信号から特定可能か？
• RQ4 これらの変動を検出するためにどの程度の原子時計の安定性が必要か？ また、現在または近い将来の実験がこれを達成可能か？
• RQ5 このような変動の検出が、局所位置不変性の制約をどのように強化し、異なる定数変動理論を区別するのにどのように寄与するか？

主な発見

• αの年間変動は、(9.7±0.9)ζdm + (1.9±0.1)ζb / (4πGω) のオーダーで予測され、線形時間ドリフトと同等またはそれ以上の大きさを示す。
• 一般的なモデルパラメータのもとでは、現在の原子時計技術で10−18レベルでの検出が可能であると予想される。
• 299Thの狭帯域遷移を用いることで、理論的には10−23レベルの最終的感度が達成可能であり、現在の境界をはるかに上回る。
• 年間変動の符号から、バリオン物質のζを特定でき、αが変動する電荷（ζ>0）か、変動する光速度（ζ<0）を解釈する理論モデルを区別可能である。
• これらの季節的効果を無視すると、αの変動に関する長期的な実験データの解釈が損なわれる可能性がある。
• このような変動の検出により、ζおよびωの独立した決定が可能となり、スカラー-テンソル理論における基本定数の制約が著しく強化される。