[論文レビュー] Planck intermediate results. XXIV. Constraints on variation of fundamental constants

P. A. R. Ade, N. Aghanim+167 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2014

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 3被引用数 53

ひとこと要約

この論文は、プランクCMBデータを用いて、基本定数の時間的・空間的変動、特に構造定数（α）および電子質量（me）を制約している。CMBパワースペクトルの減衰尾を活用することで、αおよびmeの制約を向上させ、一方向空間モードではδα/α₀ = (-2.4 ± 3.7)×10⁻²（68%信頼水準）が得られた。一方、時間的変動を同時に考慮した場合、α/α₀ = 0.993 ± 0.0045およびme/me₀ = 0.994 ± 0.059が得られた。

ABSTRACT

Any variation of the fundamental physical constants, and more particularly of the fine structure constant, $α$, or of the mass of the electron, $m_e$, would affect the recombination history of the Universe and cause an imprint on the cosmic microwave background angular power spectra. We show that the Planck data allow one to improve the constraint on the time variation of the fine structure constant at redshift $z\sim 10^3$ by about a factor of 5 compared to WMAP data, as well as to break the degeneracy with the Hubble constant, $H_0$. In addition to $α$, we can set a constraint on the variation of the mass of the electron, $m_{ m e}$, and on the simultaneous variation of the two constants. We examine in detail the degeneracies between fundamental constants and the cosmological parameters, in order to compare the limits obtained from Planck and WMAP and to determine the constraining power gained by including other cosmological probes. We conclude that independent time variations of the fine structure constant and of the mass of the electron are constrained by Planck to ${Δα}/α= (3.6\pm 3.7) imes10^{-3}$ and ${Δm_{ m e}}/{m_{ m e}}= (4 \pm 11) imes10^{-3}$ at the 68% confidence level. We also investigate the possibility of a spatial variation of the fine structure constant. The relative amplitude of a dipolar spatial variation of $α$ (corresponding to a gradient across our Hubble volume) is constrained to be $δα/α=(-2.4\pm 3.7) imes 10^{-2}$.

研究の動機と目的

• 高精度なプランクCMBデータを用いて、構造定数（α）および電子質量（me）の時間的変動の制約を改善すること。
• meとH₀のデゲネラシーを調査し、高多重度CMBデータがそのデゲネラシーをどのように解消するかを評価すること。
• ℓ_max = 1500までの多重度を用いて、一方向モードを用いたαの空間的変動の制約を求める。
• スカイメイキングを考慮した空間的変動推定器のキャリブレーションを、900回の数値シミュレーションを用いて行う。
• 再結合物理学およびヘリウム含有量が制約に与える影響を検討し、BAOなどの補助データの役割を評価すること。

提案手法

• αおよびmeの時間変動を組み込んだ修正版RECFASTコードを用い、再結合およびCMB非等方性の正確なモデル化を可能にした。
• ℓ_max = 1500までのプランク高分解能CMBパワースペクトルデータを用いて、αおよびmeの時間的変動を制約した。
• スカイメイキングを考慮した上で、900回の数値シミュレーションを用いてキャリブレーションされた、αにおける一方向モード検出のための新規推定器を開発した。
• プランクデータとバリオン音響振動（BAO）データを組み合わせることで、デゲネラシーを解消し、meの制約を改善した。
• CMBパワースペクトルの減衰尾を分析し、αおよびmeが減衰スケールに与える影響の違いを区別することで、デゲネラシーを解消した。
• 両定数の同時変動をモデル化し、デゲネラシー低減を定量化することで、αおよびmeの連合制約を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プランクCMBデータから、現在得られる構造定数（α）および電子質量（me）の時間的変動に対する最もきつい制約は何か？
• RQ2 meとH₀のデゲネラシーがmeの制約精度に与える影響は何か？また、高多重度CMBデータはそのデゲネラシーを解消できるか？
• RQ3 一方向モードを用いたαの空間的変動に対する制約は何か？また、スカイメイキングの影響は何か？
• RQ4 両定数を同時に変動可能とすると、αおよびmeの制約はどのように変化するか？
• RQ5 再結合物理学、特にヘリウム含有量が、αおよびmeの導出制約に与える影響は何か？

主な発見

• αのみを変動可能とすると、制約はα/α₀ = 0.993 ± 0.0045となり、BAOデータと組み合わせると1%の不確かさ水準に達する。
• αおよびmeを同時に変動させる場合、me/me₀ = 0.994 ± 0.059となり、H₀とのデゲネラシーのため、αに比べて制約が弱いことが示された。
• αの空間的一方向モードは、δα/α₀ = (-2.4 ± 3.7)×10⁻²（68%信頼水準）に制限され、ℓ_max = 1500までの多重度から導出された。
• CMBパワースペクトルの減衰尾は、αおよびmeが減衰スケールに与える影響が顕著に異なるため、両者のデゲネラシーを解消可能である。
• BAOデータを組み込むことで、meの制約が1%水準まで改善され、基本定数研究におけるプローブ間の一貫性の重要性が浮き彫りになった。
• meの制約がαより弱いのは、meが減衰尾に弱い影響しか与えない一方で、αはCMBパワースペクトルに強いインプリントを与えるためである。