Astrophysics, Clocks and Fundamental Constants pp 131-150

Part of the Lecture Notes in Physics book series (LNP, volume 648)

Constraining Variationsin the Fine-Structure Constant, Quark Massesand the Strong Interaction

  • Michael T. Murphy
  • Victor V. Flambaum
  • John K. Webb
  • Vladimir V. Dzuba
  • Jason X. Prochaska
  • Arthur M. Wolfe
Part IV Astrophysical and Geochemical Search

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 < zabs < 4.2. This includes 15 new systems, mostly at high-z (zabs > 1.8). Our most robust estimate is a weighted mean Δα/α = (–0.57 ± 0.11) × 10–5. 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: higher abundances of 25,26Mg in the absorbers may explain the low-z results. Approximately equal mixes of 24Mg and 25,26Mg are required. Observations of Galactic stars generally show lower25,26Mg 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-α 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 α and \(m_{\rm q}/\!\Lambda_{\rm QCD}\) from recent atomic clock experiments with hyperfine transitions in H, Rb, Cs, Hg+ and an optical transition in Hg+.

Preview

Unable to display preview. Download preview PDF.

Unable to display preview. Download preview PDF.

References

  1. 1. J. Uzan: Rev. Mod. Phys. 75, 403 (2003)Google Scholar
  2. 2. C.J.A.P. Martins, ed.: Proc. JENAM2002: The cosmology of extra dimensions and varying fundamental constants (Kluwer, Netherlands, 2003)Google Scholar
  3. 3. S.S. Vogt et al.: ‘HIRES: The high-resolution echelle spectrometer on the Keck 10-m telescope’. In: Instrumentation in Astronomy VIII, ed. by D.L. Crawford, E.R. Craine (SPIE 2198, 1994) p. 362Google Scholar
  4. 4. P.J. Outram, F.H. Chaffee, R.F. Carswell: Mon. Not. Roy. Soc. 310, 289 (1999)Google Scholar
  5. 5. M.P. Savedoff: Nature 178, 689 (1956)Google Scholar
  6. 6. J.N. Bahcall, E.E. Salpeter: Astrophys. J. 142, 1677 (1965)Google Scholar
  7. 7. J.N. Bahcall: Astrophys. J. 149, L7 (1967)Google Scholar
  8. 8. A.M. Wolfe, R.L. Brown, M.S. Roberts: Phys. Rev. Lett. 37, 179 (1976)Google Scholar
  9. 9. L.L. Cowie, A. Songaila: Astrophys. J. 453, 596 (1995)Google Scholar
  10. 10. D.A. Varshalovich, V.E. Panchuk, A.V. Ivanchik: Astron. Lett. 22, 6 (1996)Google Scholar
  11. 11. V.A. Dzuba, V.V. Flambaum, J.K. Webb: Phys. Rev. Lett. 82, 888 (1999)Google Scholar
  12. 12. J.K. Webb, V.V. Flambaum, C.W. Churchill, M.J. Drinkwater, J.D. Barrow: Phys. Rev. Lett. 82, 884 (1999)Google Scholar
  13. 13. M.T. Murphy et al.: Mon. Not. Roy. Soc. 327, 1208 (2001)Google Scholar
  14. 14. U. Griesmann, R. Kling: Astrophys. J. 536, L113 (2000)Google Scholar
  15. 15. J.C. Pickering, A.P. Thorne, J.K. Webb: Mon. Not. Roy. Soc. 300, 131 (1998)Google Scholar
  16. 16. J.C. Pickering et al.: Mon. Not. Roy. Soc. 319, 163 (2000)Google Scholar
  17. 17. M.T. Murphy, J.K. Webb, V.V. Flambaum: Mon. Not. Roy. Soc. 345, 609 (2003)Google Scholar
  18. 18. V.A. Dzuba, V.V. Flambaum, J.K. Webb: Phys. Rev. A 59, 230 (1999)Google Scholar
  19. 19. V.A. Dzuba, V.V. Flambaum, M.T. Murphy, J.K. Webb: Phys. Rev. A 63, 42509 (2001)Google Scholar
  20. 20. V.A. Dzuba, V.V. Flambaum, M.G. Kozlov, M. Marchenko: Phys. Rev. A 66, 022501 (2002)Google Scholar
  21. 21. C.W. Churchill et al.: Astrophys. J. Supp. 130, 91 (2000)Google Scholar
  22. 22. J.X. Prochaska, A.M. Wolfe: Astrophys. J. Supp. 121, 369 (1999)Google Scholar
  23. 23. J.X. Prochaska et al.: Astrophys. J. Supp. 137, 21 (2001)Google Scholar
  24. 24. M.T. Murphy: Probing variations in the fundamental constants with quasar absorption lines. PhD thesis, University of New South Wales (2002). Available at http://www.ast.cam.ac.uk/~mimGoogle Scholar
  25. 25. J.D. Bekenstein: Phys. Rev. Lett., submitted, preprint (astro-ph/0301566) (2003)Google Scholar
  26. 26. E.J. Angstmann, V.V. Flambaum, S.G. Karshenboim: preprint (physics/0403009) (2004)Google Scholar
  27. 27. J.N. Bahcall, C.L. Steinhardt, D. Schlegel: Astrophys. J. 600, 520 (2004)Google Scholar
  28. 28. J.K. Webb, M.T. Murphy, V.V. Flambaum, S.J. Curran: Astrophys. Space Sci. 283, 565 (2003)Google Scholar
  29. 29. M.T. Murphy, J.K. Webb, V.V. Flambaum, C.W. Churchill, J.X. Prochaska: Mon. Not. Roy. Soc. 327, 1223 (2001)Google Scholar
  30. 30. J.K. Webb et al.: Phys. Rev. Lett. 87, 091301 (2001)Google Scholar
  31. 31. M.T. Murphy, J.K. Webb, V.V. Flambaum, S.J. Curran: Astrophys. Space Sci. 283, 577 (2003)Google Scholar
  32. 32. J.C. Berengut, V.A. Dzuba, V.V. Flambaum: Phys. Rev. A 68, 022502 (2003)Google Scholar
  33. 33. L. Hallstadius: Z. Phys. A 291, 203 (1979)Google Scholar
  34. 34. R.E. Drullinger, D.J. Wineland, J.C. Bergquist: Appl. Phys. 22, 365 (1980)Google Scholar
  35. 35. P.L. Gay, D.L. Lambert: Astrophys. J. 533, 260 (2000)Google Scholar
  36. 36. D. Yong, D.L. Lambert, I.I. Ivans: Astrophys. J. 599, 1357 (2003)Google Scholar
  37. 37. F.X. Timmes, S.E. Woosley, T.A. Weaver: Astrophys. J. Supp. 98, 617 (1995)Google Scholar
  38. 38. Y. Fenner et al.: Publ. Astron. Soc. Australia 20, 340 (2003)Google Scholar
  39. 39. M.D. Shetrone: Astron. J. 112, 2639 (1996)Google Scholar
  40. 40. D. Yong, F. Grundahl, D.L. Lambert, P.E. Nissen, M.D. Shetrone: Astron. Astrophys. 402, 985 (2003)Google Scholar
  41. 41. M. Forestini, C. Charbonnel: Astron. Astrophys. Supp. 123, 241 (1997)Google Scholar
  42. 42. L. Siess, M. Livio, J. Lattanzio: Astrophys. J. 570, 329 (2002)Google Scholar
  43. 43. A.I. Karakas, J.C. Lattanzio: Publ. Astron. Soc. Australia 20, 279 (2003)Google Scholar
  44. 44. T. Ashenfelter, G.J. Mathews, K.A. Olive: Phys. Rev. Lett. 92, 041102 (2004)Google Scholar
  45. 45. R.C. Kennicutt Jr.: ‘Overview: The Initial Mass Function in Galaxies’. In: The Stellar Initial Mass Function (38th Herstmonceux Conference), ed. by G. Gilmore, D. Howell (Astron. Soc. Pac., San Francisco, CA, U.S.A, 1998) p. 1Google Scholar
  46. 46. P. Molaro, S.A. Levshakov, S. D’Odorico, P. Bonifacio, M. Centurión: Astrophys. J. 549, 90 (2001)Google Scholar
  47. 47. M. Pettini, C.C. Steidel, K.L. Adelberger, M. Dickinson, M. Giavalisco: Astrophys. J. 528, 96 (2000)Google Scholar
  48. 48. K. Nomoto et al.: Nucl. Phys. A 621, 467 (1997)Google Scholar
  49. 49. L.M. Dray, C.A. Tout, A.I. Karakas, J.C. Lattanzio: Mon. Not. Roy. Soc. 338, 973 (2003)Google Scholar
  50. 50. M. Pettini, S.L. Ellison, J. Bergeron, P. Petitjean: Astron. Astrophys. 391, 21 (2002)Google Scholar
  51. 51. M. Centurión, P. Molaro, G. Vladilo, C. Péroux, S.A. Levshakov, V. D’Odorico: Astron. Astrophys. 403, 55 (2003)Google Scholar
  52. 52. P. Langacker, G. Segrè, M.J. Strassler: Phys. Lett. B 528, 121 (2002)Google Scholar
  53. 53. W.J. Marciano: Phys. Rev. Lett. 52, 489 (1984)Google Scholar
  54. 54. X. Calmet, H. Fritzsch: Euro. Phys. J. C 24, 639 (2002)Google Scholar
  55. 55. V.V. Flambaum, E.V. Shuryak: Phys. Rev. D 65, 103503 (2002)Google Scholar
  56. 56. K.A. Olive, M. Pospelov: Phys. Rev. D 65, 085044 (2002)Google Scholar
  57. 57. V.F. Dmitriev, V.V. Flambaum: Phys. Rev. D 67, 063513 (2003)Google Scholar
  58. 58. V.V. Flambaum, E.V. Shuryak: Phys. Rev. D 67, 083507 (2003)Google Scholar
  59. 59. M.T. Murphy, J.K. Webb, V.V. Flambaum, M.J. Drinkwater, F. Combes, T. Wiklind: Mon. Not. Roy. Soc. 327, 1244 (2001)Google Scholar
  60. 60. A.I. Shlyakhter: Nature 264, 340 (1976)Google Scholar
  61. 61. T. Damour, F. Dyson: Nucl. Phys. B 480, 37 (1996)Google Scholar
  62. 62. Y. Fujii et al.: Nucl. Phys. B 573, 377 (2000)Google Scholar
  63. 63. H. Oberhummer, A. Csótó, M. Fairbairn, H. Schlattl, M.M. Sharma: Nucl. Phys. A 719, 283 (2003)Google Scholar
  64. 64. S.R. Beane, M.J. Savage: Nucl. Phys. A 713, 148 (2003)Google Scholar
  65. 65. S.G. Karshenboim: Canadian J. Phys. 318, 680 (1997)Google Scholar
  66. 66. J.D. Prestage, R.L. Tjoelker, L. Maleki: Phys. Rev. Lett. 74, 3511 (1995)Google Scholar
  67. 67. H. Marion et al.: Phys. Rev. Lett. 90, 150801 (2003)Google Scholar
  68. 68. S. Bize et al.: Phys. Rev. Lett. 90, 150802 (2003)Google Scholar
  69. 69. D.B. Leinweber, D.H. Lu, A.W. Thomas: Phys. Rev. D 60, 034014 (1999)Google Scholar
  70. 70. N.A. Demidov, E.M. Ezhov, B.A. Sakharov, B.A. Uljanov, A. Bauch, B. Fisher: ‘Investigations of the frequency instability of CH1-75 hydrogen masers’. In: Proc. of the 6th European Frequency and Time Forum, Noordwijk, Netherlands 1992. (European Space Agency, Noordwijk, 1993), p. 409Google Scholar
  71. 71. L.A. Breakiron: ‘A Comparative Study of Clock Rate and Drift Estimation’. In: Proc. of the 25th Annual Precise Time Interval Applications and Planning Meeting. (U.S. Naval Observatory Time Service Department, Washington DC, 1993) p. 401Google Scholar
  72. 72. T. Dent: Nucl. Phys. B, accepted, preprint (hep-ph/0305026) (2003)Google Scholar

Copyright information

Authors and Affiliations

  • Michael T. Murphy
    • 1
  • Victor V. Flambaum
    • 2
  • John K. Webb
    • 2
  • Vladimir V. Dzuba
    • 2
  • Jason X. Prochaska
    • 3
  • Arthur M. Wolfe
    • 4
  1. 1.Institute of Astronomy, University of Cambridge, Madingley Road, Cambridge CB3 0HAUK
  2. 2.School of Physics, University of New South Wales, Sydney N.S.W. 2052Australia
  3. 3.UCO-Lick Observatory, University of California, Santa Cruz, Santa Cruz, CA 95464USA
  4. 4.Department of Physics and Centre for Astrophysics and Space Sciences, University of California, San Diego, C-0424, La Jolla, CA 920923USA

Personalised recommendations