[论文解读] Constraining Variations in the Fine-structure Constant, Quark Masses and the Strong Interaction

M. T. Murphy, V. V. Flambaum+4 more|ArXiv.org|Oct 11, 2003

Relativity and Gravitational Theory参考文献 6被引用 10

一句话总结

本文利用来自143个系统（红移 0.2 < z < 4.2）的凯克/HIRES类星体吸收光谱，提供了精细结构常数 α 在空间和时间上变化的证据，报告加权平均变化量为 Δα/α = (−0.57 ± 0.11) × 10⁻⁵。该研究采用多重线法检测原子跃迁波长的位移，并对系统效应（特别是镁的同位素丰度变化）进行约束，同时从原子钟实验中推导出夸克质量与 QCD 标度变化的限制。

ABSTRACT

We present evidence for variations in the fine-structure constant from Keck/HIRES spectra of 143 quasar absorption systems over the redshift range 0.2 &lt; z_abs &lt; 4.2. This includes 15 new systems, mostly at high-z (z_abs &gt; 1.8). Our most robust estimate is a weighted mean da/a=(-0.57 +/- 0.11)x10^{-5}. We respond to recent criticisms of the many-multiplet method used to extract these constraints. The most important potential systematic error at low-z is the possibility of very different Mg heavy isotope abundances in the absorption clouds and laboratory: {\it higher} abundances of {25,26}Mg in the absorbers may explain the low-z results. Approximately equal mixes of {24}Mg and {25,26}Mg are required. Observations of Galactic stars generally show {\it lower} {25,26}Mg isotope fractions at the low metallicities typifying the absorbers. Higher values can be achieved with an enhanced population of intermediate mass stars at high redshift, a possibility at odds with observed absorption system element abundances. At present, all observational evidence is consistent with the varying-alpha results. Another promising method to search for variation of fundamental constants involves comparing different atomic clocks. Here we calculate the dependence of nuclear magnetic moments on quark masses and obtain limits on the variation of alpha and m_q/Lambda_QCD from recent atomic clock experiments with hyperfine transitions in H, Rb, Cs, Hg+ and an optical transition in Hg+.

研究动机与目标

• 检验宇宙时间中基本常数（如精细结构常数 α 和 m_q/Λ_QCD 比值）可能变化的假设。
• 利用凯克望远镜的高分辨率类星体吸收光谱，为 α 变化提供稳健的观测约束。
• 解决多重线法中的潜在系统误差，特别是吸收体与地球之间镁的同位素丰度差异。
• 利用高精度原子钟实验，推导夸克质量相对于 QCD 标度变化的限制。
• 在大统一理论框架下，比较天体物理与实验室测量对 α 和 m_q/Λ_QCD 变化的约束。

提出的方法

• 将多重线（MM）方法应用于143个类星体吸收系统的凯克/HIRES光谱，以检测对 α 敏感的原子跃迁波长位移。
• 该方法比较不同元素和多重线的跃迁，利用其对 α 的不同依赖性来推断 Δα/α。
• 理论模型将能级位移与 α 和 m_q/Λ_QCD 联系起来，其依赖性源自相对论修正和量子色动力学。
• 将同位素丰度变化（特别是 ²⁵,²⁶Mg）建模为潜在系统误差，并基于恒星观测和银河系化学演化模型推导约束。
• 利用涉及氢、铷、铯、Hg⁺ 的超精细跃迁以及 Hg⁺ 的光学跃迁的实验室原子钟实验，推导 α 和 m_q/Λ_QCD 变化的限制。
• 计算核磁矩对夸克质量的依赖性，以将原子钟测量结果与基本常数变化联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 类星体吸收线数据所暗示的精细结构常数 α 是否随宇宙时间变化？
• RQ2 高红移吸收云中镁的同位素丰度（特别是 ²⁵,²⁶Mg）变化是否能解释观测到的 α 变化？
• RQ3 观测到的 α 变化结果对系统误差是否稳健，特别是在低红移区域？
• RQ4 原子钟实验能对夸克质量相对于 QCD 标度（m_q/Λ_QCD）的变化施加何种限制？
• RQ5 天体物理对 α 和 m_q/Λ_QCD 变化的约束与大统一理论中的理论模型相比如何？

主要发现

• 基于 143 个类星体吸收系统（0.2 < z < 4.2），精细结构常数的加权平均变化量为 Δα/α = (−0.57 ± 0.11) × 10⁻⁵。
• 三个独立的观测样本（低红移、高红移和合并样本）结果一致，表明对系统误差具有内部稳健性。
• 吸收体中 ²⁵,²⁶Mg 同位素的高丰度（Γ²⁵,²⁶Mg ≈ 0.5）可能解释低红移结果，但此类值与观测到的低金属丰度恒星同位素丰度及银河系化学演化模型相冲突。
• 高红移结果对 ²⁹,³⁰Si 同位素组成不敏感，降低了硅同位素系统误差的担忧。
• 原子钟实验对参数 U = α⁶[m_e/Λ_QCD][m_q/Λ_QCD]⁰.¹ 的变化限制为 |(1/U)(dU/dt)| < 7 × 10⁻¹⁵ yr⁻¹，其中 U 对 α 和 m_q/Λ_QCD 的变化敏感。
• 从 Cs/H 和 Hg⁺ 原子钟比较中推导出参数 X_H = α⁰.⁸³[m_q/Λ_QCD]⁰.² 的变化限制为 |(1/X_H)(dX_H/dt)| < 5.5 × 10⁻¹⁴ yr⁻¹。