[论文解读] Laboratory Limits on Temporal Variations of Fundamental Constants: An Update

E. Peik, B. Lipphardt+4 more|ArXiv.org|Nov 9, 2006

Advanced Frequency and Time Standards被引用 12

一句话总结

本论文利用六年来对俘获的 171Yb+ 和 199Hg+ 离子进行的高精度频率测量，更新了对基本常数时间变化的实验室限制。报告了精细结构常数的约束为 $ d\ln\alpha/dt = (-0.26 \pm 0.39) \cdot 10^{-15}~{\rm yr}^{-1} $，以及质子-电子质量比的约束为 $ d\ln\mu/dt = (-1.2 \pm 2.2) \cdot 10^{-15}~{\rm yr}^{-1} $，后者具有模型依赖性。

ABSTRACT

Precision comparisons of different atomic frequency standards over a period of a few years can be used for a sensitive search for temporal variations of fundamental constants. We present recent frequency measurements of the 688 THz transition in the $^{171}$Yb$^+$ ion. For this transition frequency a record over six years is now available, showing that a possible frequency drift relative to a cesium clock can be constrained to $(-0.54\pm0.97)$ Hz/yr, i.e. at the level of $2\cdot10^{-15}$ per year. Combined with precision frequency measurements of an optical frequency in $^{199}$Hg$^+$ and of the hyperfine ground state splitting in $^{87}$Rb a stringent limit on temporal variations of the fine structure constant $α$: $d\lnα/dt= (-0.26\pm0.39)\cdot 10^{-15} { m yr}^{-1}$ and a model-dependent limit for variations of the proton-to-electron mass ratio $μ$ in the present epoch can be derived: $d \ln μ/dt = (-1.2 \pm 2.2)\cdot 10^{-15} { m yr}^{-1}$. We discuss these results in the context of astrophysical observations that apparently indicate changes in both of these constants over the last 5--10 billion years.

研究动机与目标

• 利用高精度原子频率标准测试精细结构常数 α 和质子-电子质量比 μ 等基本常数的时间变化。
• 提高基于实验室的常数变化限制，使其在宇宙时标下达到或超过天体物理学观测的灵敏度。
• 通过结合多个原子系统的数据并应用核模型，减少 μ 变化限制的模型依赖性。
• 为未来实验室实验建立基准，因为光学钟的稳定性和精度正逐步提升。

提出的方法

• 在六年间，使用激光冷却的单离子阱对 171Yb+ 离子的 688 THz 跃迁频率进行测量。
• 将 Yb+ 跃迁频率与铯喷泉钟进行比较，以推导出精细结构常数 α 的漂移限制。
• 利用 199Hg+ 和 87Rb 的额外频率测量，独立约束 α 和 μ，并将结果合并以获得更优的限制。
• 应用 Schmidt 核磁矩模型，将测量的频率比与质子 g 因子和 μ 的变化联系起来。
• 对长期频率数据进行线性回归，以提取漂移率及其不确定性估计。
• 利用 171Yb+ 和 133Cs 中光学频率与超精细频率的比值，在理论建模下推导出对 μ 的限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在俘获离子中进行长期频率测量，能否在 10^{-15} yr^{-1} 水平上探测到精细结构常数 α 的时间变化？
• RQ2 目前对质子-电子质量比 μ 变化的最严格实验室限制是什么？其模型依赖性如何？
• RQ3 基于实验室的 α 和 μ 限制在灵敏度上与类星体吸收光谱的天体物理学观测相比如何？
• RQ4 在多种离子种类中进行高精度频率比较，能在多大程度上改善对基本常数变化的限制？
• RQ5 光学钟的精度现在是否已达到或超过宇宙学天体物理数据探测常数变化的灵敏度？

主要发现

• 171Yb+ 的 688 THz 跃迁表现出相对于铯钟的频率漂移为 $(-0.54 \pm 0.97)$ Hz/yr，对应于精细结构常数的限制为 $ d\ln\alpha/dt = (-0.26 \pm 0.39) \cdot 10^{-15}~{\rm yr}^{-1} $。
• 结合 171Yb+、199Hg+ 和 87Rb 的数据，得到质子-电子质量比的模型依赖性限制为 $ d\ln\mu/dt = (-1.2 \pm 2.2) \cdot 10^{-15}~{\rm yr}^{-1} $。
• 实验室对 $ d\ln\alpha/dt $ 的限制现已达到与类星体观测在 100 亿年基线下的灵敏度相当。
• 基于 Schmidt 模型，质子 g 因子的漂移限制为 $ d\ln g_p/dt = (-0.09 \pm 0.28) \cdot 10^{-15}~{\rm yr}^{-1} $。
• 171Yb+ 频率测量的精度已足够高，使得六年的基线数据稳定性接近傅里叶极限。
• 结果表明，实验室实验现在已具备与宇宙学天体物理数据相当的灵敏度来探测常数变化，未来光学钟的进一步改进将进一步增强此能力。