[논문 리뷰] Variations of constants as a test of gravity, cosmology and unified models

V. N. Melnikov|ArXiv.org|2009. 10. 19.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 63인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 중력상수 G의 변화, 특히 시간 도함수 ḊG와 공간적 의존성 G(r)를 테스트하기 위한 SEE 위성 미션과 실험실 토크 밸런스 실험을 제안한다. 정밀한 궤도 역학과 민감한 힘 측정을 통해 SEE는 G 측정을 기존 방법보다 3–4개 항목 높이려 하며, 실험실 실험은 0.1 m에서 10⁷ m의 범위에서 양자력형 편차를 약 10⁻¹⁰ 수준의 결합 강도 감도로 탐지한다.

ABSTRACT

Gravitation as a fundamental interaction that governs all phenomena at large and very small scales, but still not well understood at a quantum level, is a cardinal missing link in unification of all physical interactions. Discovery of the present acceleration of the Universe, the dark matter and dark energy problems are also a great challenge to modern physics, which may lead to a new revolution in it. Integrable multidimensional models of gravitation and cosmology make up one of the proper approaches to studying basic issues and strong field objects, the early and present Universe and black hole (BH) physics in particular. Our main results within this approach are described for both cosmology and BH physics. Problems of the absolute G measurements and its possible time and range variations are reflections of the unification problem. The choice, nature, classification and precision of determination of the fundamental physical constants as well as their role in a transition, expected in 2011, to new definitions of the main SI units, supposed to be based on fundamental physical constants and stable quantum phenomena, are described. The problem of temporal variations of constants is also discussed, temporal and spatial variations of G in particular. A need for further absolute measurements of G, its possible range and time variations is pointed out. The multipurpose space project SEE is briefly described, aimed at measuring G and its stability in space and time, with precision 3-4 orders better than at present. It may answer many important questions posed by gravitation, cosmology and unified theories. A project of a laboratory experiment for testing possible deviations from the Newton law is also presented.

연구 동기 및 목표

• 중력상수 G를 기존에 없던 정밀도와 안정성으로 측정하는 데 있어 해결되지 않은 과제를 해결하기 위해.
• 통합 중력 이론과 우주론적 모델의 탐색 수단으로서 G의 시간적·공간적 변화, 특히 시간 도함수 ḊG와 거리 의존성 G(r)를 테스트하기 위해.
• 일반 상대성 이론을 초월한 기본 물리학을 실험적으로 검증하기 위한 궤도 기반 및 지상 실험을 개발하기 위해, 특히 역제곱 법칙에서의 편차를 포함하여.
• 기본 상수를 기반으로 한 SI 단위의 향후 재정의를 지원하기 위해 절대 G 측정을 향상시키기 위해.
• G의 변화가 통합 이론, 양자 중력 이론, 그리고 다크 에너지 또는 상수가 변화하는 모델을 포함한 우주론적 모델에 미치는 영향을 조사하기 위해.

제안 방법

• 지구, 드래그프리 위성, 그리고 고유한 말굽형 궤도를 도는 시험 질량을 포함하는 3체 시스템을 활용한 SEE(Satellite Energy Exchange) 미션 설계를 통해 중력 효과를 격리한다.
• G와 양자력형 상호작용에 대한 민감도를 극대화하기 위해 최적의 궤도(원형, 타원형, 지구의 2차 모멘트 보정 포함)를 모델링한다.
• 시험 질량의 반경 방향, 경도 방향, 횡방향 진동, 비구형 형상, 고에너지 입자에 의한 충전 효과 등에 대한 오차 예산을 계산한다.
• 회전하는 구형 케이지 안에 이동 가능한 공동을 갖춘 구조를 사용해 토크 밸런스에 주기적인 토크를 유도하고, 조화 분석을 통해 비중력적 힘을 탐지한다.
• 주기적 신호의 첫 번째 고조파를 분석하여 양자력형 상호작용에 대한 민감도를 향상시킨다.
• 제조 공차와 실험실 실험의 열적 불안정성에 기반한 감도 한계를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중력상수 G는 시간이나 공간에 따라 변할 수 있으며, 그러한 변화의 한계는 무엇인가?
• RQ2 궤도 기반 및 실험실 실험을 통해 역제곱 법칙에서의 편차를 탐지하기 위한 최대 감도는 얼마인가?
• RQ3 SEE 미션은 기존 지상 실험에 비해 G, ḊG, G(r) 측정의 정밀도를 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 실험실 토크 밸런스 실험은 미터 스케일에서부터 행성 스케일까지의 범위에서 양자력형 잠재력이 있는 새로운 힘을 어느 정도 감지할 수 있는가?
• RQ5 궤도 역학과 외란(예: 지구의 2차 모멘트)은 궤도 기반 실험에서 G 측정에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• SEE 미션은 현재 측정치에 비해 G, 시간 도함수 ḊG, 공간 의존성 G(r)의 정밀도를 3–4개 항목 높일 것으로 예측된다.
• 실험실 토크 밸런스 실험은 0.1 m에서 10⁷ m의 광범위한 상호작용 범위에서 약 10⁻¹⁰ 수준의 양자력 결합 강도 α에 대해 감도를 확보한다.
• SEE의 최적 궤도로 원형 궤도와 낮은 이심률의 타원 궤도가 확인되었으며, 고도 1500 km, 3000 km, 500 km(국제우주정거장 프리플라이어 구성)에서 외란에 대해 최소한의 민감도를 보인다.
• 오차 예산 분석 결과, 시험 질량 캡슐의 반경 및 횡방향 진동, 셰프어의 비구형 형상, 충전 효과는 모두 요구되는 공차 내에서 제어 가능하다.
• 실험실 실험에서 주기적 신호의 첫 번째 고조파는 비중력적 힘 탐지에 최적이며, 신호 대 잡음 성능을 크게 향상시킨다.
• 본 연구는 SEE와 실험실 실험 모두가 통합 중력 모델, 보조 중력 이론, 기본 상수의 안정성 검증에 유용한 도구임을 확인한다.