[논문 리뷰] Variation in the fine-structure constant, distance-duality relation and the next generation of high-resolution spectrograph

Rodrigo S. Gonçalves, Susana J. Landau외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 03.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 67인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 미세구조상수 변화에 대한 현재 및 예측 가능한 고해상도 스펙트로스코픽 데이터를 사용하여 거리이중성관계(DDR) 위반을 제약하고, 향후 기구인 ESPRESSO/VLT와 E-ELT/HIRES가 현재 데이터보다 100배 이상 더 엄격한 DDR 파라미터 $\eta$ 제약을 달성할 수 있음을 보여주며, DDR 유효성을 $O(10^{-9})$ 수준에서 확인하기 위해 약 15건의 측정만으로도 충분하다.

ABSTRACT

The possibility of variation of the fundamental constants of nature has been a long-standing question, with important consequences for fundamental physics and cosmology. In particular, it has been shown that variations in the fine-structure constant, $α$, are directly related to violation of the distance duality relation (DDR), which holds true as long as photons travel on unique null geodesics and their number is conserved. In this paper we use the currently available measurements of ${Δα}/α$ to impose the most stringent constraints on departures of the DDR to date, here quantified by the parameter $η$. We also perform a forecast analysis to discuss the ability of the new generation of high-resolution spectrograph, like ESPRESSO/VLT and E-ELT-HIRES, to constrain the DDR parameter $η$. From the current data we obtain constraints on $η$ of the order of $10^{-7}$ whereas the forecasted constraints are two orders of magnitude lower. Considering the expected level of uncertainties of the upcoming measurements, we also estimate the necessary number of data points to confirm the hypotheses behind the DDR.

연구 동기 및 목표

• 기존의 미세구조상수 변화 $\Delta\alpha/\alpha$ 측정치를 사용하여 거리이중성관계(DDR) 위반에 대해 현재까지 가장 엄격한 제약을 가하는 것.
• 다음 세대 고해상도 스펙트로그래프(ESPRESSO/VLT 및 E-ELT/HIRES)가 DDR 파라미터 $\eta$ 를 제약하는 데의 민감도를 전망하는 것.
• 미래 기구의 기대 정밀도 수준에서 DDR 가설의 유효성을 확인하기 위해 필요한 최소 관측 수를 추정하는 것.
• DDR 파arameter $\eta$ 의 적색편이 진화에 대한 다양한 파라미터화 방식에 걸쳐 이러한 제약이 얼마나 강건한지 조사하는 것.

제안 방법

• 연구는 미세구조상수 $\alpha$ 의 변화와 DDR 위반 사이의 이론적 연관성을 사용하며, 여기서 $d_L / [d_A (1+z)^2] = \eta$ 로 표현되며, 표준 천체물리학에서 $\eta=1$ 이다.
• 현재의 $\Delta\alpha/\alpha$ 측정치(활성은하핵 흡수계열에서 유래)를 기반으로 $\chi^2$ 기반 통계 분석을 수행하여, 현재 시점의 $\eta$ 값인 $\eta_0$ 에 대한 제약을 도출한다.
• 관측된 $\Delta\alpha/\alpha$ 데이터와 그 불확실성에서 유도된 평균과 표준편차를 바탕으로 정규분포에서 합성 데이터 세트를 생성함으로써 몬테카를로 시뮬레이션을 수행한다.
• 통계적 변동성을 고려하기 위해 약 $10^4$회의 재현을 반복하여 $\eta_0$ 의 평균과 표준편차를 추정한다.
• 미래 임무(ESPRESSO/VLT 및 E-ELT/HIRES)의 기대 불확실성을 사용하여 예측 분석을 수행하며, 다양한 적색편이 범위와 관측 수에 대해 데이터를 시뮬레이션한다.
• 비판적 관측 수 $N_{\text{crit}}$ 는 $\sigma_{\eta_0} = \eta_0$ 가 되는 관측 수로 정의되며, 이는 $\eta=1$ 을 1$\sigma$ 신뢰수준에서 배제할 수 있도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재의 $\Delta\alpha/\alpha$ 측정치로부터 도출된 DDR 파라미터 $\eta$ 에 대한 가장 엄격한 현재 제약은 무엇인가?
• RQ2 다음 세대 고해상도 스펙트로그래프(ESPRESSO/VLT 및 E-ELT/HIRES)는 현재 데이터에 비해 $\eta$ 를 얼마나 더 엄격하게 제약할 수 있는가?
• RQ3 미래 기구의 기대 정밀도 수준에서 DDR의 유효성을 확인하기 위해 필요한 최소 관측 수는 얼마인가?
• RQ4 $\eta$ 의 적색편이 진화에 대한 다양한 파라미터화(P1, P2, P3)에 걸쳐 제약이 얼마나 강건한가?

주요 결과

• 현재 데이터는 DDR 파라미터를 $\eta_0 \simeq O(10^{-7})$ 수준으로 제약하며, 이는 DDR 위반에 대해 현재까지 가장 엄격한 제약이다.
• 향후 스펙트로그래프(ESPRESSO/VLT 및 E-ELT/HIRES)의 예측 제약은 $O(10^{-9})$ 수준에 도달할 것으로 예상되며, 이는 현재 한계보다 두 자리수 향상된 것이다.
• 현재 데이터 세트에서 $\eta=1$ 을 1$\sigma$ 수준에서 배제하기 위해 필요한 비판적 관측 수는 $N_{\text{crit}} \approx 248$ 로 추정되며, 파라미터화 방법에 따라 달라진다.
• 다음 세대 기구의 기대 불확실성을 고려할 때, $N_{\text{crit}} \approx 15$ 가면 충분히 DDR 유효성을 확인할 수 있으며, 이는 현재 요구사항보다 15~20배 향상된 것이다.
• 모든 테스트된 파라미터화(P1, P2, P3)에 걸쳐 결과가 강건하며, 현재 데이터의 경우 $N_{\text{crit}}$ 는 195에서 248 사이, 향후 데이터의 경우 약 15로 변동한다.
• 본 연구는 향후 고해상도 스펙트로스코피가 메트릭 중력 및 광자 수 보존의 기본 가정을 결합하여 DDR를 결정적으로 시험할 수 있음을 확인한다.