[論文レビュー] Variations of constants as a test of gravity, cosmology and unified models

V. N. Melnikov|ArXiv.org|Oct 19, 2009

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 63被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、重力定数Gの時間変化率Ġおよび空間依存性G(r)の変動を検証するためのSEE宇宙ミッションと实验室のねじり秤実験を提案する。精密な軌道力学と高感度力測定を用い、SEEはGの測定を3–4桁向上させることを目的としており、実験室では0.1 mから10⁷ mの距離範囲でYukawa型のずれを、結合定数αの10⁻¹⁰レベルの感度で検出する。

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.

研究の動機と目的

• 重力定数Gの測定における未解決の課題を、かつてない精度と安定性で解決すること。
• Gの時間的・空間的変動、特にその時間微分Ġおよび距離依存性G(r)を検証し、統一重力理論や宇宙論的モデルの探査に役立たせること。
• 一般相対性理論を超える基礎物理学の検証を目的とした宇宙機と地上実験の開発、特に逆二乗法則からのずれの検出。
• 今後のSI単位の再定義に伴い、基本定数に基づく定義を支援するため、絶対的G測定の精度向上。
• Gの変動が統一理論、量子重力、およびダークエネルギーや定数の変動を含む宇宙論的モデルに与える影響の解明。

提案手法

• 地球、ドラッグフリー衛星、および特異な馬蹄型軌道をとる試験質量を有する3体系を用いたSEE（衛星エネルギー交換）ミッションの設計。重力効果を分離する。
• GおよびYukawa型相互作用への感度を最大化するための最適軌道（円軌道、楕円軌道、地球の四極モーメント補正付き）のモデル化。
• 試験質量の径方向・方位方向・横方向振動、非球形形状、高エネルギー粒子による帯電効果の誤差予算の計算。
• 回転する球殻にずれた空洞を持つ構造を用い、ねじり秤に周期的トルクを発生させ、調和解析により非重力的力の検出を可能にする。
• 周期的信号の一次高調波を検出するスペクトル解析の適用により、Yukawa型相互作用への感度が向上。
• 実験室実験における製造公差および熱揺らぎに基づく感度限界の評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重力定数Gは時間的・空間的に変動する可能性があり、その変動の上限は何か？
• RQ2 宇宙機および実験室実験を用いた場合、逆二乗法則からのずれを検出可能な最大感度は何か？
• RQ3 SEEミッションは、地上実験と比較してG、Ġ、G(r)の測定精度をどの程度向上させ得るか？
• RQ4 実験室のねじり秤実験は、メートルスケールから惑星スケールの距離範囲で、Yukawa型ポテンシャルを持つ新しい力の検出にどの程度有効か？
• RQ5 軌道力学および摂動（例：地球の四極モーメント）は、宇宙機実験におけるGの測定にどのように影響を与えるか？

主な発見

• SEEミッションは、現在の測定と比較して、G、その時間微分Ġ、および空間依存性G(r)の測定精度を3–4桁向上させると予測されている。
• 実験室のねじり秤実験は、0.1 mから10⁷ mの広い距離範囲で、Yukawa結合定数αの感度が約10⁻¹⁰に達する。
• SEEの最適軌道として、1500 km、3000 km、および500 km（国際宇宙ステーションのフリーフライヤー構成）の高度での円軌道および低離心率の楕円軌道が特定され、摂動への感受性が最小限に抑えられている。
• 誤差予算解析により、試験質量カプセルの径方向および横方向振動、シーファーの非球形形状、帯電効果が、必要な公差内に制御可能であることが示された。
• 実験室実験における周期的信号の一次高調波が、非重力的力の検出に最適であり、信号対雑音比の向上に顕著な寄与をしている。
• 本研究は、SEEおよび実験室実験が、統一重力理論、代替重力理論、および基本定数の安定性の検証に実用的かつ有効なツールであることを確認した。