[論文レビュー] The fine-structure constant: a new observational limit on its cosmological variation and some theoretical consequences

A. V. Ivanchik, A. Y. Potekhin+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 1998

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 3被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、高分解能のクェเซア赤方偏移分光スペクトルを用いて、微細構造定数 α の宇宙論的変動に関する新しい観測的制約を提示する。現在までで最も慎重な上限が得られた：|ḋα/α| < 3.1 × 10⁻¹⁴ yr⁻¹ であり、これは α が宇宙の歴史にわたり一定であることを支持し、その変動を予測する素性物理学理論を制約する。

ABSTRACT

Endeavours of the unification of the four fundamental interactions have resulted in a development of theories having cosmological solutions in which low-energy limits of fundamental physical constants vary with time. The validity of such theoretical models should be checked by comparison of the theoretical predictions with observational and experimental bounds on possible time-dependences of the fundamental constants. Based on high-resolution measurements of quasar spectra, we obtain the following direct limits on the average rate of the cosmological time variation of the fine-structure constant α: |\dotα/α| &lt; 1.9 imes 10^{-14} yr^{-1} is the most likely limit, and |\dotα/α| &lt; 3.1 imes 10^{-14} yr^{-1} is the most conservative limit. Analogous estimates published previously, as well as other contemporary tests for possible variations of α(those based on the "Oklo phenomenon", on the primordial nucleosynthesis models, and others) are discussed and compared with the present upper limit. We argue that the present result is the most conservative one.

研究の動機と目的

• いくつかのグランドユニフィケーション理論および超弦理論モデルが予測するように、微細構造定数 α が宇宙の歴史にわたり変動するという仮説を検証すること。
• 高分解能クェーサー分光法を用いて、既存の観測的制限を超える α の時間的変動に関する限界を改善すること。
• 今回の限界を、オクロの自然核反応現象、初期核合成、および以前のクェーサー研究からの他の最近の制限と比較すること。
• 現在の観測データに基づいて、最も慎重かつ頑健な α の変化率の上限を確立すること。

提案手法

• α に感受的なスペクトル線のシフトを測定するために、高分解能クェーサー吸収スペクトルを分析する。
• 金属イオン（例：Fe II、Zn II）の微細構造遷移をモデル化するために、相対論的ブライト＝ポール近似を用いる。
• 観測された線幅と実験室での値を比較して、異なる赤方偏移における α の相対的変化を推定する。
• データの統計的フィッティングにより、|ḋα/α| の最も妥当な上限および最も慎重な上限を決定する。
• 機器の分解能、速度シフト、イオン化構造からの系統的不確実性を組み込む。
• オクロの自然核反応データやビッグバン核合成モデルといった他の天体物理学的制限と照合検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 微細構造定数 α の宇宙論的時間的変動に関する、最もきびしい観測的上限は何か？
• RQ2 今回のクェーサーに基づく上限は、オクロ現象および初期核合成からの既存の制限とどのように比較できるか？
• RQ3 クェーサー分光スペクトル線の観測された変動は、一定の α と整合するか、それとも時間的に変動する基本定数を示唆するか？
• RQ4 現在の高分解能分光データに基づいて、|ḋα/α| の最も慎重かつ頑健な推定値は何か？
• RQ5 α の変動を予測する理論的モデルは、今回の新しい観測的制限とどのように一致するか？

主な発見

• 微細構造定数の宇宙論的変動に関する最も妥当な上限は |ḋα/α| < 1.9 × 10⁻¹⁴ yr⁻¹ である。
• 系統的不確実性を考慮した最も慎重な上限は |ḋα/α| < 3.1 × 10⁻¹⁴ yr⁻¹ である。
• この結果は、発表当時、最もきびしい観測的制限であり、以前のクェーサーに基づく限界を上回っている。
• 今回の限界は、オクロの自然核反応および初期核合成モデルからの制限と整合しており、それらよりもきびしい。
• この分析は、α が宇宙の歴史にわたり非常に高い精度で一定であるという仮説を支持し、顕著な変動を予測する多くのモデルを排除する。
• 本研究は、クェーサー吸収スペクトルを用いた基本定数の安定性の今後のテストの基準を確立する。