Research press release


Nature Communications

Astronomy: When is a constant not a constant?


現在の物理学の標準理論は、いずれも、電子質量や原子の微細構造定数などの基本定数が一定で、時間的にも空間的にも変化しないことを前提としている。しかし、別の理論では、時間、場所又は局所的な物質密度によって基本定数が変動する可能性が示唆されている。そうした変動の有無を検証すれば、これらのモデルが物理学における未解決の問題を説明するうえで役立つのかどうかを解明できるようになると考えられている。今回、Michael Tarbuttたちは、そうした検証を行った。つまり、局所的な物質密度が基本定数に与える影響を調べたのだ。Tarbuttたちは、超低温CH分子の短いパルスビームを生成する方法を開発して、その原子遷移の周波数を非常に高い精度で測定した。そして、この周波数をCH分子の局所的な物質密度が大幅に異なる星間媒質の天体観測で得られた同じ原子遷移の周波数と比較した。その結果、Tarbuttたちは、局所環境を原因とする微細構造定数と電子-陽子質量比の変動に関して、変動幅の新たな限界を定めることができた。


New limits on variations in the fundamental constants of nature - used to test a range of theories in physics - are presented in this week’s Nature Communications. The findings place new limits on any possible changes in some constants between the high density environment of Earth and the low density environment of interstellar space.

Our standard theories of physics all assume that the fundamental constants like the electron mass or the atomic fine structure constant are fixed and unvarying in time and space. However, other theories suggest that they may change based on time, location, or local matter density. Testing for such variations would then allow us to understand whether these models could help explain outstanding problems in physics. Michael Tarbutt and colleagues present one such test, which looks at the possible influence of local matter density on the fundamental constants. They develop a method to produce short pulses of ultracold molecules of CH and measure the frequency their atomic transitions to very high precision. They are then able to compare this with measurements of the same transitions taken from astronomical observations of the interstellar medium, where the local matter density of the CH molecules is extremely different. This allows the team to place new limits on the size of possible variations in both the fine structure constant and the electron-to-proton mass ratio due to the local environment.

This method provides new constraints for any theory that requires the fundamental constants of nature to change. With improved sensitivity in astronomical measurements, these constraints may be improved and extended to different sources.

doi: 10.1038/ncomms3600

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