[论文解读] Searching for variations in the fine-structure constant and the proton-to-electron mass ratio using quasar absorption lines

Julian A. King|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2010

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 282被引用 10

一句话总结

本论文利用甚大望远镜/紫外-可见光阶梯光栅光谱仪（VLT/UVES）和凯克望远镜/高分辨率阶梯光栅光谱仪（Keck/HIRES）的类星体吸收线，研究精细结构常数（α）和质子-电子质量比（μ）的潜在空间变化。采用多重线方法与马尔可夫链蒙特卡洛分析，发现α存在4.1σ的偶极状空间变化证据，其最大增加方向位于赤经17.3小时、赤纬−61°；而μ在红移z > 1时无显著演化，∆μ/μ = (1.7 ± 2.4) × 10⁻⁶。

ABSTRACT

(abridged) Quasar absorption lines provide a precise test of the assumed constancy of the fundamental constants of physics. We have investigated potential changes in the fine-structure constant, alpha, and the proton-to-electron mass ratio, mu. The many-multiplet method allows one to use optical fine-structure transitions to constrain (Delta alpha)/alpha at better than the 10^(-5) level. We present a new analysis of 154 quasar absorbers with 0.2 < z <3.7 in VLT/UVES spectra. From these absorbers we find 2.2 sigma evidence for angular variations in alpha under a dipole+monopole model. Combined with previous Keck/HIRES observations, we find 4.1 sigma evidence for angular (and therefore spatial) variations in alpha, with maximal increase of alpha occurring in the direction RA=(17.3 +/- 1.0) hr, dec=(-61 +/- 10) deg. Under a model where the observed effect is proportional to the lookback-time distance the significance increases to 4.2 sigma. Dipole models fitted to the VLT and Keck samples and models fitted to z<1.6 and z>1.6 sub-samples independently yield consistent estimates of the dipole direction, which suggests that the effect is not caused by telescope systematics. We consider a number of systematic effects and show that they are unable to explain the observed dipole effect. We have used spectra of the quasars Q0405-443, Q0347-383 and Q0528-250 from VLT/UVES to investigate the absorbers at z=2.595, 3.025 and 2.811 in these spectra respectively. We find that (Delta mu)/mu=(10.1 +/- 6.6) x 10^(-6), (8.2 +/- 7.5) x 10^(-6) and (-1.4 +/- 3.9) x 10^(-6) in these absorbers respectively. A second spectrum of Q0528-250 provides an additional constraint of (Delta mu)/mu=(0.2 +/- 3.2_stat +/- 1.9_sys) x 10^(-6). The weighted mean of these values yields (Delta mu)/mu=(1.7 +/- 2.4) x 10^(-6), the most precise constraint on evolution in mu at z>1.

研究动机与目标

• 利用类星体吸收光谱检验基本常数——α和μ——在宇宙时间与空间中的恒定性。
• 利用高分辨率光学光谱研究α的潜在空间（角）变化。
• 利用高红移类星体中分子氢跃迁约束μ的演化。
• 评估波长定标误差和同位素丰度演化等系统效应的影响。
• 应用先进统计方法，包括马尔可夫链蒙特卡洛，以提高类星体数据分析中参数估计的精度。

提出的方法

• 采用多重线方法分析类星体吸收系统中的光学精细结构跃迁。
• 利用154个吸收体的VLT/UVES光谱（红移0.2 < z < 3.7）测量∆α/α。
• 应用马尔可夫链蒙特卡洛技术，稳健估计∆α/α及其不确定性。
• 分析类星体Q0405−443、Q0347−383和Q0528−250中高红移H₂吸收线，以约束∆μ/μ。
• 对数据拟合偶极和单极模型，检验α的空间变化。
• 通过迭代剔除和系统性检查，排除数据异常值和仪器效应的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在天球上是否存在精细结构常数α的空间变化证据？
• RQ2 观测到的α变化是否源于望远镜定标或数据处理中的系统误差？
• RQ3 质子-电子质量比μ在高红移（z > 1）是否发生演化？
• RQ4 VLT与Keck数据在α的偶极方向推断上是否一致？
• RQ5 马尔可夫链蒙特卡洛方法能否提高∆α/α与∆μ/μ估计的精度与可靠性？

主要发现

• 对154个VLT/UVES类星体吸收体的分析显示，α存在2.2σ的偶极状空间变化证据。
• 与Keck/HIRES数据结合后，显著性提升至4.1σ，α的最大增加方向位于RA = 17.3 ± 1.0 hr，Dec = −61 ± 10°。
• 独立拟合VLT与Keck样本时，偶极方向一致，降低了望远镜系统误差的可能性。
• 在迭代剔除潜在异常∆α/α值后，偶极效应保持稳定，表明结果具有鲁棒性。
• 对于µ，加权平均∆μ/μ = (1.7 ± 2.4) × 10⁻⁶（z > 1），代表迄今最精确的约束。
• 波长尺度畸变和Mg同位素演化等系统效应无法解释观测到的α偶极效应。