[論文レビュー] Direct Test of the Time-Independence of Fundamental Nuclear Constants Using the Oklo Natural Reactor

Alexander Shlyakhter|ArXiv.org|Jul 3, 2003

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 20被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、ガボンのオクロ自然原子炉から得られた同位体割合を用いて、基本核定数の時間不変性を直接実験的に検証するものである。中性子共鳴エネルギーのずれ（核ポテンシャルの変化に敏感）を分析することで、微細構造定数と弱い相互作用の強さに関する変化の上限をきびしく設定し、宇宙時間の経過において顕著な変化は観測されなかった。

ABSTRACT

[NOTE: This 1983 preprint is being uploaded to arXiv.org after the death of its author, who supported online distribution of his work. Contact info of the submitter is at http://ilya.cc .] The positions of neutron resonances have been shown to be highly sensitive to the variation of fundamental nuclear constants. The analysis of the measured isotopic shifts in the natural fossil reactor at Oklo gives the following restrictions on the possible rates of the interaction constants variation: strong ~2x10^-19 yr^-1, electromagnetic ~5x10^-18 yr^-1, weak ~10^-12 yr^-1. These limits permit to exclude all the versions of nuclear constants contemporary variation discussed in the literature. URL: http://alexonline.info >. For more recent analyses see hep-ph/9606486, hep-ph/0205206 and astro-ph/0204069 .

研究の動機と目的

• 微細構造定数αや弱い相互作用定数βといった基本核定数が、宇宙時間の経過とともに一定であったという仮説を検証すること。
• 約20億年前に発生した自然の核分裂反応炉（オクロ自然原子炉）を、核パラメータの長期的安定性を調べるための独自の自然実験施設として用いること。
• 核分裂生成物および中性子吸収体（例：¹⁴⁹Sm、¹¹³Cd）の同位体割合を分析し、核定数の変化に起因する中性子共鳴エネルギーのずれを推定すること。
• 観測された同位体比と理論的感度推定値を用いて、基本定数の時間変化率に関する定量的上限を導出すること。
• 理論的予測と地質学的データを比較することで、時間変化する定数を予測する代替理論や大数の仮説を検証または反証すること。

提案手法

• オクロ反応炉のサンプルから得られた核分裂生成物（例：Nd、Sm、Eu、Gd）の同位体割合を分析し、過去の中性子フラックスおよび反応条件を推定する。
• 中性子共鳴エネルギーの核ポテンシャルへの感度に着目し、微細構造定数αや弱い相互作用定数βの変化に伴う共鳴エネルギー位置の変化をモデル化する。
• β崩壊および中性子捕獲反応速度に対する感度 s = (δλ/λ)/(δα/α) の理論的推定値を用い、αやβの変化が観測された同位体比に与える影響を定量化する。
• 測定された同位体割合（例：¹⁴³Nd、¹⁴⁹Sm）と、定数が一定であると仮定した場合の計算された核分裂生成量を比較し、データを分析する。
• 観測データと整合する範囲で許容される最大の共鳴エネルギーずれ（ΔE）を推定し、これに基づいて核定数の時間変化率の上限を導出する。
• オクロ反応炉の年齢（約1.8×10⁹年）および実験的エネルギー分解能（Δ_exp）を用いて、核定数の変化率を制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一部の宇宙論的モデルが示唆するように、微細構造定数αは過去18億年間で変化したのだろうか？
• RQ2 弱い相互作用の強さβの変化が、オクロ反応炉における中性子捕獲および核分裂生成量にどの程度の影響を与えたのだろうか？
• RQ3 オクロサンプルに観測された同位体割合は、現在の値とは異なる核定数を仮定した場合に説明可能だろうか？
• RQ4 自然原子炉データに基づいて、基本核定数の時間変化率に対する最もきつい上限は何か？
• RQ5 定数が一定であると仮定した場合の理論的予測と観測された同位体比を比較すると、大数の仮説にどのような含意が生じるのだろうか？

主な発見

• ¹⁴⁹Smおよび他の同位体の安定性に基づき、微細構造定数αの時間変化率に対する上限は |ḋα/α| ≤ 5×10⁻¹⁹ yr⁻¹ である。
• 弱い相互作用定数βについては、観測された核分裂生成物の割合の整合性から、上限が |ḋβ/β| ≤ 2×10⁻¹² yr⁻¹ である。
• ¹¹³Cd、¹⁴⁹Sm、¹⁵¹Eu、¹⁵⁷Gdの同位体の分析は、測定値と計算値の間で良好な一致を示し、核定数が一定であることを支持する。
• 核定数の変化に起因する中性子共鳴エネルギーの最大許容ずれはΔE ≤ 100 meVに制限され、これに対応する定数の相対的変化は約10⁻¹⁹ yr⁻¹のオーダーである。
• 結果は、α、β、γが宇宙時間の経過において一定であるという従来の見解と整合しており、10⁻¹⁹ yr⁻¹のレベルで変化の兆候は観測されなかった。
• 本研究は、大数の一致（例：δ⁻¹ ≈ 10⁴²）が時間変化する定数を必要としないと結論づけ、これは量子場理論的要因や人為的原理によって生じる可能性がある。