[論文レビュー] Laboratory Limits on Temporal Variations of Fundamental Constants: An Update

E. Peik, B. Lipphardt+4 more|ArXiv.org|Nov 9, 2006

Advanced Frequency and Time Standards被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、6年間にわたり捕捉された 171Yb+ および 199Hg+ 無性イオンを用いた高精度周波数測定を通じて、基本定数の時間的変動に関する更新された実験的制限を提示する。スピン統計的構造定数 α については $ d\ln\alpha/dt = (-0.26 \pm 0.39) \cdot 10^{-15}~{\rm yr}^{-1} $、陽子対電子質量比 μ については $ d\ln\mu/dt = (-1.2 \pm 2.2) \cdot 10^{-15}~{\rm yr}^{-1} $ の制限が得られ、後者はモデル依存性を有する。

ABSTRACT

Precision comparisons of different atomic frequency standards over a period of a few years can be used for a sensitive search for temporal variations of fundamental constants. We present recent frequency measurements of the 688 THz transition in the $^{171}$Yb$^+$ ion. For this transition frequency a record over six years is now available, showing that a possible frequency drift relative to a cesium clock can be constrained to $(-0.54\pm0.97)$ Hz/yr, i.e. at the level of $2\cdot10^{-15}$ per year. Combined with precision frequency measurements of an optical frequency in $^{199}$Hg$^+$ and of the hyperfine ground state splitting in $^{87}$Rb a stringent limit on temporal variations of the fine structure constant $α$: $d\lnα/dt= (-0.26\pm0.39)\cdot 10^{-15} { m yr}^{-1}$ and a model-dependent limit for variations of the proton-to-electron mass ratio $μ$ in the present epoch can be derived: $d \ln μ/dt = (-1.2 \pm 2.2)\cdot 10^{-15} { m yr}^{-1}$. We discuss these results in the context of astrophysical observations that apparently indicate changes in both of these constants over the last 5--10 billion years.

研究の動機と目的

• 高精度原子周波数標準を用いて、スピン統計的構造定数 α や陽子対電子質量比 μ の時間的変動を検証すること。
• 宇宙論的時間スケールにわたる宇宙物理学的観測の感度に匹敵またはそれを上回る、実験室ベースの定数変動制限を改善すること。
• 複数の原子系のデータを統合し、核モデルを適用することで、μ 変動制限のモデル依存性を低減すること。
• 光学クロックがより高い安定性と正確性に達するに伴い、将来の実験の基準を確立すること。

提案手法

• 6年間にわたりレーザー冷却・単一イオントラップを用いて 171Yb+ イオンの 688 THz 遷移周波数を測定する。
• ヨウビウム+ 遷移周波数を caesium ファウントレインクロックと比較することで、スピン統計的構造定数 α の変動限界を導出する。
• 199Hg+ および 87Rb の追加周波数測定を用いて α および μ を独立に制限し、それらを統合してより良い制限を得る。
• 核スピン磁気モーメントの Schmidt モデルを適用し、測定された周波数比を陽子 g 要素および μ の変動に関連付ける。
• 長期周波数データに対して線形回帰を実行し、不確実性推定を伴った変動率を抽出する。
• 171Yb+ および 133Cs の光学的・ハイパーファイン周波数比を用いて理論的モデルに基づき μ の制限を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 捕捉イオンにおける長期周波数測定は、10^{-15} yr^{-1} 水準のスピン統計的構造定数 α の時間的変動を検出可能か？
• RQ2 陽子対電子質量比 μ 変動に対する最も厳しい実験室制限は何か？ そのモデル依存性はどの程度か？
• RQ3 α および μ の実験室ベースの制限は、クェーサー吸収スペクトルの宇宙物理学的観測と比較して、どの程度感度が高いか？
• RQ4 複数のイオン種における高精度周波数比較は、基本定数変動の制限をどの程度改善できるか？
• RQ5 光学クロックの精度は、今や宇宙論的宇宙物理学的データによる定数変動検出の感度に達しているか、あるいはそれを上回っているか？

主な発見

• 171Yb+ の 688 THz 遷移は、セシウムクロックに対して年間約 $(-0.54 \pm 0.97)$ Hz の周波数変動を示し、これはスピン統計的構造定数 α に対する $ d\ln\alpha/dt = (-0.26 \pm 0.39) \cdot 10^{-15}~{\rm yr}^{-1} $ の制限に相当する。
• 171Yb+、199Hg+、および 87Rb のデータを統合することで、モデル依存性を有する制限 $ d\ln\mu/dt = (-1.2 \pm 2.2) \cdot 10^{-15}~{\rm yr}^{-1} $ が得られた。
• α の実験室制限は、100億年基準で宇宙物理学的クェーサー観測と同等の感度に達した。
• Schmidt モデルを用いて陽子 g 要素の変動限界は $ d\ln g_p/dt = (-0.09 \pm 0.28) \cdot 10^{-15}~{\rm yr}^{-1} $ に導出された。
• 171Yb+ 周波数測定の精度が十分に向上したため、6年間の基準期間において、フォーリエ限界に近い安定性が達成された。
• 結果として、実験室実験が今や宇宙論的宇宙物理学的データと同等の感度で定数変動を探索可能であることが示され、将来の光学クロックの向上により、この能力がさらに強化されることが明らかになった。