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

Rodrigo S. Gonçalves, Susana J. Landau+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2019

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 67被引用 6

一句话总结

本文利用当前及未来高分辨率光谱数据对精细结构常数变化的测量，对距离对偶关系（DDR）的破坏进行约束，发现未来仪器如ESPRESSO/VLT和E-ELT/HIRES可将DDR参数$η$的约束提升至当前数据的100倍，仅需约15次测量即可在$O(10^{-9})$水平上确认DDR的有效性。

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.

研究动机与目标

• 利用现有精细结构常数变化$\Delta\alpha/\alpha$的测量数据，对距离对偶关系（DDR）破坏施加迄今为止最严格的约束。
• 预测下一代高分辨率光谱仪（ESPRESSO/VLT和E-ELT/HIRES）对DDR参数$η$的敏感度。
• 估算为在预期未来仪器精度下确认DDR假设的有效性，所需观测的最小数量。
• 研究在不同$η$红移演化参数化形式下，这些约束的稳健性。

提出的方法

• 该研究利用精细结构常数$\alpha$的变化与距离对偶关系（DDR）破坏之间的理论联系，其中$d_L / [d_A (1+z)^2] = \eta$，在标准宇宙学中$\eta=1$。
• 采用基于$\chi^2$的统计分析方法，对当前$\Delta\alpha/\alpha$测量数据（来自类星体吸收系统）进行分析，以推导出$\eta_0$（即$\eta$的当前值）的约束。
• 通过从基于观测到的$\Delta\alpha/\alpha$数据及其不确定度所确定的均值和标准差的高斯分布中生成合成数据集，进行蒙特卡洛模拟。
• 重复约$10^4$次实现，以估计$\eta_0$的均值和标准差，从而考虑统计涨落的影响。
• 利用未来任务（ESPRESSO/VLT和E-ELT/HIRES）的预期不确定度进行预测分析，模拟不同红移范围和观测数量下的数据。
• 临界观测点数$N_{\text{crit}}$被定义为使得$\sigma_{\eta_0} = \eta_0$的观测数，从而可在1$\sigma$置信水平下排除$\eta=1$。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于$\Delta\alpha/\alpha$测量数据，当前对DDR参数$\eta$的最紧约束是什么？
• RQ2 与当前数据相比，下一代高分辨率光谱仪（ESPRESSO/VLT和E-ELT/HIRES）将如何改进对$\eta$的约束？
• RQ3 在预期未来仪器的精度下，确认DDR有效性的最小观测数量是多少？
• RQ4 在不同$\eta$红移演化参数化形式（P1、P2、P3）下，$\eta$的约束有多稳健？

主要发现

• 当前数据将DDR参数约束在$\eta_0 \simeq O(10^{-7})$，代表迄今为止对DDR破坏最严格的约束。
• 未来光谱仪（ESPRESSO/VLT和E-ELT/HIRES）的预测约束将达到$O(10^{-9}$)，相比当前限制提高了两个数量级。
• 为在1$\sigma$置信水平下排除$\eta=1$，当前数据集所需的临界观测数估计为$N_{\text{crit}} \approx 248$，具体取决于参数化形式。
• 对于下一代仪器的预期不确定度，仅需$N_{\text{crit}} \approx 15$次观测即可确认DDR的有效性，相比当前要求提高了15至20倍。
• 所有测试的参数化形式（P1、P2、P3）下结果均稳健，当前数据的$N_{\text{crit}}$值在195至248之间，而未来数据的$N_{\text{crit}}$值约为15。
• 本研究证实，未来的高分辨率光谱观测将能够对DDR及其背后的度规引力和光子数守恒假设进行决定性检验。