Постоянная тонкой структуры: обзор результатов измерений и возможных пространственно-временны́х вариаций

Дано краткое описание основных методов определения постоянной тонкой структуры. Показано, что точное значение постоянной тонкой структуры важно для новой Международной системы единиц и фундаментальной метрологии. Представлены современные результаты измерений и теоретических расчётов постоянной тонкой структуры, а также её возможных пространственно-временны́х вариаций. Приведены результаты лабораторных экспериментов по поиску долговременных вариаций постоянной тонкой структуры. Приведены данные астрофизических и космологических наблюдений о возможной переменности постоянной тонкой структуры. Отмечены возможность несколько меньших значений постоянной тонкой структуры в удалённом прошлом по сравнению с её современным значением, а также существование нерешённых проблем, связанных с возможными пространственно-временны́ми вариациями постоянной тонкой структуры и разбросом результатов её точных лабораторных измерений. Несмотря на отсутствие экспериментально подтверждённых на высоком уровне точности долговременных вариаций постоянной тонкой структуры отмечены возможные практические применения полученных результатов, а именно создание оптического стандарта частоты с высокой стабильностью и точностью воспроизведения частоты излучения на основе иона иттербия-171 и лазерного синтезатора частоты, который, возможно, придёт на смену цезиевому стандарту частоты.

1. Bureau International des Poids et Measures. Resolution 1 of the 26th CGPM (2018). On the revision of the International System of Units (SI). https://www.bipm.org/en/committees/cg/cgpm/26-2018/resolution-1

2. Mills I. M., Mohr P. J., Quinn T. J. et al. Redefinition of the kilogram, ampere, kelvin and mole: a proposed approach to implementing CIPM recommendation 1 (CI-2005). Metrologia, 43(3), 227–246 (2006). https://doi.org/10.1088/0026-1394/43/3/006

3. Кононогов С. А. Метрология и фундаментальные физические константы. Стандартинформ, Москва (2008)https://www.elibrary.ru/qjubtt (In Russ.)

4. Will C. M. The Confrontation between General Relativity and Experiment. Living Reviews Relativity, 9, 3 (2006). https://doi.org/10.12942/lrr-2006-3; https://elibrary.ru/mjuucb

5. Martins C. J. A. P. The status of varying constant: a review of the physics, searches and implications. Reports on Progress in Physics, 80(12), 126902 (2017). https://doi.org/10.1088/1361-6633/aa860e; https://elibrary.ru/sduhix

6. Wilczynska M. R., Webb J. K., Bainbridge M. et al. Four direct measurements of the fine-structure constant 13 billion years ago. Science Advances, 6(17), 9672 (2020). https://doi.org/10.1126/sciadv.aay9672; https://www.elibrary.ru/taeakq

7. Safronova M. S., Budker D., DeMille D. et al. Search for new physics with atoms and molecules. Reviews of Modern Physics, 90, 025008 (2018). https://doi.org/10.1103/RevModPhys.90.025008; https://elibrary.ru/glsshb

8. Uzan J.-P. Fundamental constants: from measurement to the universe, a window on gravitation and cosmology. Cosmology and Nongalactic Astrophysics (2024). https://doi.org/10.48550/arXiv.2410.07281

9. Sommerfeld A. Zur Quantentheorie der Spektrallinien. Annalen der Physik, 366(51), 1–94 (1916). (In German) https://doi.org/10.1002/andp.19163561702

10. Van Dyck R. S., Schwinberg P. B., Dehmelt H. G. New high-precision comparison of electron and positron g factors. Physical Review Letters, 59(1), 26–29 (1987). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.59.26

11. Odom B., Hanneke D., D’Urso B. et al. New measurement of the electron magnetic moment using a one-electron quantum cyclotron. Physical Review Letters, 97(3), 030801 (2006). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.97.030801; https://elibrary.ru/mmehjp

12. Gabrielse G., Hanneke D., Kinoshita T. et al. New determination of the fine structure constant from the electron g value and QED (Erratum), Physical Review Letters, 99, 039902 (2007). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.99.039902

13. Hanneke D., Fogwell S., Gabrielse G. New measurement of the electron magnetic moment and the fine structure constant. Physical Review Letters, 100, 120801 (2008). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.100.120801; https://elibrary.ru/mmeidp

14. Fan X., Myers T. G., Sukra B. A. D., Gabrielse G. Measurement of the Electron Magnetic Moment. Physical Review Letters, 130, 071801 (2023). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.071801; https://elibrary.ru/hjsveh

15. Kinoshita T., Nio М. Improved α4 term of the electron anomalous magnetic moment. Physical Review D, 73, 013003 (2006). https://doi.org/10.1103/PhysRevD.73.013003; https://elibrary.ru/mfsjzz

16. Aoyama T., Hayakawa M., Kinoshita T. et al. Revised value of the eighth-order electron g-2. Physical Review Letters, 99, 110406 (2007). https://doi.org/10.1103/physrevlett.99.110406

17. Aoyama T., Kinoshita T., Nio M. Revised and improved value of the QED tenth-order electron anomalous magnetic moment. Physical Review D, 97(3), 036001 (2018). https://doi.org/10.1103/PhysRevD.97.036001; https://elibrary.ru/yfrapr

18. Wicht A., Hensley J. M., Sarajlic E., Chu S. A preliminary measurement of the fine structure constant based on atom interferometry. Physica Scripta, 2002(T102), 82–88 (2002). https://doi.org/10.1238/Physica.Topical.102a00082

19. Cadoret M., de Mirandes E., Clade P. et al. Combination of Bloch oscillations with a Ramsey-Bordé interferometer: new determination of the fine structure constant. Physical Review Letters, 101, 230801 (2008). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.101.230801

20. Bouchendira R., Cladé P., Guellati-Khélifa S., Nez F., Biraben F. New determination of the fine structure constant and test of the quantum electrodynamics. Physical Review Letters, 106, 080801 (2011). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.080801

21. Clade P., de Mirandes E., Cadoret M. et al. Precise measurement of h/mRb using Bloch oscillations in a vertical optical lattice: determination of the fine-structure constant. Physical Review A, 74, 052109 (2006). https://doi.org/10.1103/PhysRevA.74.052109; https://elibrary.ru/ycqmax

22. Parker R. H., Yu C., Zhong W., Estey B., Müller H. Measurement of the fine-structure constant as a test of the Standard Model. Science, 360(6385), 191–195 (2018). https://doi.org/10.1126/science.aap7706; https://elibrary.ru/ygowrf

23. Morel L., Yao Z., Cladé P., Guellati-Khélifa S. Determination of the fine-structure constant with an accuracy of 81 parts per trillion. Nature, 588, 61–65 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2964-7; https://elibrary.ru/inrrig

24. Borde Ch. J. Atomic interferometry with internal state labeling. Physics Letters A, 140(1-2), 10–12 (1989). https://doi.org/10.1016/0375-9601(89)90537-9

25. Tiesinga E., Mohr P. J., Newell D. B., Taylor B. N. CODATA recommended values of the fundamental physical constants: 2018. Reviews of Modern Physics, 93, 025010 (2021). https://doi.org/10.1103/RevModPhys.93.025010; https://elibrary.ru/veyaoc

26. Mount B. J., Redshaw M., Myers E. G. Atomic masses of 6Li, 23Na, 39,41K, 85,87Rb, and 133Cs. Physical Review A, 82, 042513 (2010). https://doi.org/10.1103/PhysRevA.82.042513; https://elibrary.ru/ogccbt

27. Mohr P. J., Newell D. B., Taylor B. N. CODATA recommended values of the fundamental physical constants: 2014. Reviews of Modern Physics, 88, 035009 (2016). https://doi.org/10.1103/RevModPhys.88.035009; https://elibrary.ru/vkhelp

28. Tanabashi M., Hagiwara K., Hikasa K. et al., Review in Particle Physics. Physical Review D, 98, 030001 (2018). https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001; https://elibrary.ru/dtlofo

29. Schwinger J. On Quantum-Electrodynamics and the Magnetic Moment of the Electron. Physical Review Journals Archive, 73, 416 (1948). https://doi.org/10.1103/PhysRev.73.416

30. Бронников К. А., Иващук В. Д., Хрущев В. В. Фундаментальные физические константы: результаты поиска и описания вариаций. Измерительная техника, (3), 3–8 (2022). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2022-3-3-8; https://elibrary.ru/mxmegc

31. Бронников К. А., Калинин М. И., Хрущев В. В. О тепловой истории ранней Вселенной. Законодательная и прикладная метрология, (1), 11–17 (2024) https://elibrary.ru/wkmwmw

32. Rosenband T., Hume D. B., Schmidt P. O. et al. Frequency Ratio of Al+ and Hg+ Single-Ion Optical Clocks; Metrology at the 17th Decimal Place. Science, 319(5871), 1808–1812 (2008). https://doi.org/10.1126/science.1154622; https://elibrary.ru/mewhhh

33. Godun R. M., Nisbet-Jones P. B. R., Jones J. M. et al. Frequency ratio of two optical clock transitions in 171Yb+ and constraints on the time variation of fundamental constants. Physical Review Letters, 113, 210801 (2014). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.210801; https://elibrary.ru/urvhwh

34. Levshakov S. A., Ng K-W., Henkel C. et al. Testing the weak equivalence principle by differential measurements of fundamental constants in the Magellanic Clouds. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 487(4), 5175–5187 (2019). https://doi.org/10.1093/mnras/stz1628; https://elibrary.ru/djgwdl

35. Lange R., Huntemann N., Rahm J. M. et al. Improved Limits for Violations of Local Position Invariance from Atomic Clock Comparisons. Physical Review Letters, 126, 011102 (2021). https://doi.org/10.1103/physrevlett.126.011102

36. Flambaum V. V., Dzuba V. A. Search for variation of the fundamental constants in atomic, molecular and nuclear spectra. Canadian Journal of Physics, 87(1), 25–33 (2009). https://doi.org/10.1139/p08-072; https://elibrary.ru/mmyzrj

37. Filzinger M., Dorscher S., Lange R. et al. Improved limits on the coupling of ultralight bosonic dark matter to photons from optical atomic clock comparisons. Physical Review Letters, 130, 2530011 (2023). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.253001; https://elibrary.ru/avsglk

38. Murphy M. T., Berke D.A., Liu F. et al. A limit on variations in the fine-structure constant from spectra of nearby Sun-like stars. Science, 378(6620), 634–636 (2022). https://doi.org/10.1126/science.abi9232

39. Kalita S., Uniyal A. C onstraining fundamental parameters in modifi ed gravity using Gaia-DR2 massive white dwarf observation. The Astrophysical Journal, 949(2), 62 (2023). https://doi.org/10.3847/1538-4357/accf1c; https://elibrary.ru/wergrb

40. Jiang L., Fu S., Wang F. et al. Constraints on the variation of the fi ne-structure constant at 3˂ᴢ˂10 with JWST emissionline galaxies. Cosmology and Nongalactic Astrophysics (2024). https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.08977

41. Milakovic D. Fine structure constant measurements in quasar absorption systems. Methodology (2023). https://doi.org/10.48550/arXiv.2310.00107

42. Tohfa H., Crump J., Baker E. et al. A cosmic microwave background search for fine-structure constant evolution. Cosmology and Nongalactic Astrophysics (2023). https://doi.org/10.48550/arXiv.2307.06768

43. Meisner U.-G., Metsch B. Ch., Meyer H. The electromagnetic fine-structure constant in primordial nucleosynthesis revisited. High Energy Physics – Theory (2023). https://doi.org/10.48550/arXiv.2305.15849

44. Seto O., Takahashi T., Toda Y. Variation of the fine structure constant in the light of recent helium abundance measurement. Physical Review D, 108, 023525 (2023). https://doi.org/10.1103/PhysRevD.108.023525; https://elibrary.ru/vrbxxb

45. Matsumoto A., Ouchi M., Nakajima K. et al., EMPRESS. VIII. A new determination of primordial He abundance with extremely metal-poor galaxies: a suggestion of the lepton asymmetry and implications for the Hubble tension. The Astrophysical Journal, 941(2), 167 (2022). https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac9ea1; https://elibrary.ru/kruwig

46. Webb J. K., Murphy M. T., Flambaum V. V. et al. Further evidence for cosmological evolution of the fine structure constant. Physical Review Letters, 87, 091301 (2001). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.87.091301; https://elibrary.ru/lmwhmp

47. Webb J. K., King J.A., Murphy M. T. et al. Indications of a spatial variation of the fine structure constant. Physical Review Letters, 107, 191101 (2011). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.191101; https://elibrary.ru/phzfyd

48. Levshakov S. A., Combes F., Boone F. et al., An upper limit to the variation in the fundamental constants at redshift z=5.2. Astronomy and Astrophysics, 540, L9 (2012). https://doi.org/10.1051/0004-6361/201219042; https://elibrary.ru/pdmvpx

49. Whitmore J. B., Murphy M. T. Impact of instrumental systematic errors on fine-structure constant measurements with quasar spectra. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 447(1), 446–462 (2015). https://doi.org/10.1093/mnras/stu2420; https://elibrary.ru/spobzn

50. Lee C.-C., Webb J. K., Milaković D., Carswell R. F. Non-uniqueness in quasar absorption models and implications for measurements of the fine structure constant. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 507(1), 27–42 (2021). https://doi.org/10.1093/mnras/stab2005; https://elibrary.ru/wzsfug