[論文レビュー] The fundamental constants and their variation: observational status and theoretical motivations

Jean–Philippe Uzan|arXiv (Cornell University)|May 30, 2002

Relativity and Gravitational Theory被引用数 41

ひとこと要約

本稿は、微細構造定数、重力および弱い結合定数、電子対陽子質量比を含む基本定数の変動に関する観測的制約と理論的動機をレビューする。クェーサー吸収線データ、原子時計実験、軌道力学の分析を通じて定数の不変性を検証し、報告された変動の不一致を明らかにするとともに、一般相対性理論や量子重力理論（例えば、弦理論やカユーズァ＝クラインモデル）の拡張と関連付ける。

ABSTRACT

This article describes the various experimental bounds on the variation of the fundamental constants of nature. After a discussion on the role of fundamental constants, of their definition and link with metrology, the various constraints on the variation of the fine structure constant, the gravitational, weak and strong interactions couplings and the electron to proton mass ratio are reviewed. This review aims (1) to provide the basics of each measurement, (2) to show as clearly as possible why it constrains a given constant and (3) to point out the underlying hypotheses. Such an investigation is of importance to compare the different results, particularly in view of understanding the recent claims of the detections of a variation of the fine structure constant and of the electron to proton mass ratio in quasar absorption spectra. The theoretical models leading to the prediction of such variation are also reviewed, including Kaluza-Klein theories, string theories and other alternative theories and cosmological implications of these results are discussed. The links with the tests of general relativity are emphasized.

研究の動機と目的

• 宇宙物理学的および実験的データを用いて、基本定数の変動に関する現在の観測的状況を評価すること。
• 各定数の変動の物理的意味と測定根拠を明確にし、その背後にある仮定に焦点を当てる。
• 異なるクェーサー吸収線研究における微細構造定数および電子対陽子質量比の変動に関する矛盾する主張を解消すること。
• カユーズァ＝クライン理論、弦理論、および代替重力理論などの理論的枠組みを検討し、定数の変動を予測するものとする。
• 基本定数の不変性が一般相対性理論および弱い等価原理の検証にどのように関連するかを明らかにすること。

提案手法

• 微細構造定数 α（fine structure constant）、重力定数 G（gravitational constant）、電子対陽子質量比 me/mp の変動に関する実験的および観測的制約を体系的にレビューする。
• 高分解能分光計（例：VLT、Keck）を用いたクェーサー吸収線スペクトルの分析を通じて、原子遷移周波数の赤方偏移依存性の変化を検出する。
• 原子時計および実験室での実験を用いて、地上時間スケールにおける α および me/mp の変動を制限する。
• 連星パルサーの軌道減衰を用いて、G や重力定数の変動を検証する。
• 原子準位における相対論的補正および相対論的効果（例：水素のハイパーファイナル構造）を適用し、α への感度を抽出する。
• カユーズァ＝クラインのコンactification や弦理論などの理論的モデルを用いて、定数の変動の予測を導出し、観測結果と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 微細構造定数 α の変動に関する現在の観測的証拠は何か？ また、異なるクェーサー吸収線研究の結果はどのように比較できるか？
• RQ2 実験室での実験および原子時計は、α および me/mp の時間的変動をどのように制限しているか？
• RQ3 カユーズァ＝クライン理論、弦理論、および代替重力理論において、定数の変動に動機づけられる理論的根拠は何か？
• RQ4 基本定数の変動が一般相対性理論の検証および弱い等価原理の検証にどのように影響を与えるか？
• RQ5 変動する α の宇宙論的意味は何か？ また、クェーサースペクトルにおける観測された赤方偏移依存性とどのように関連するか？

主な発見

• Webb ら (2001) および Murphy ら (2001) のクェーサー吸収線データは、赤方偏移 z ≈ 1.5 において空間的に変動する微細構造定数を示唆しており、Δα/α ≈ −1.3 × 10⁻⁵ であるが、結果は依然として論争中である。
• 実験室での実験および原子時計は、α の変動を非常に厳密に制限しており、Δα/α < 10⁻¹⁵/年 とされている。
• 連星パルサーの軌道減衰測定により、G の変動は |Ġ/G| < 10⁻¹¹/年 と制限されている。
• カユーズァ＝クライン理論や弦理論などの理論的モデルは、α や他の定数の変動を予測するが、それらの値を安定化させる完全なメカニズムを欠いている。
• α の変動はスカラー場の宇宙論的進化に関連しており、宇宙定数問題およびダークエネルギーに影響を与える可能性がある。
• 異なるクェーサーデータセット間の不一致は、VLT などの機器を用いたより良い系誤差の取り扱い、SN比の向上、および独立した検証の必要性を強調している。