Skip to main content

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

  • Part IV Astrophysical and Geochemical Search
  • Chapter
  • First Online:

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

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 lower 25,26Mg 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+.

This is a preview of subscription content, log in via an institution.

Buying options

Chapter
USD   29.95
Price excludes VAT (USA)
  • Available as PDF
  • Read on any device
  • Instant download
  • Own it forever
eBook
USD   84.99
Price excludes VAT (USA)
  • Available as PDF
  • Read on any device
  • Instant download
  • Own it forever
Softcover Book
USD   109.99
Price excludes VAT (USA)
  • Compact, lightweight edition
  • Dispatched in 3 to 5 business days
  • Free shipping worldwide - see info
Hardcover Book
USD   109.99
Price excludes VAT (USA)
  • Durable hardcover edition
  • Dispatched in 3 to 5 business days
  • Free shipping worldwide - see info

Tax calculation will be finalised at checkout

Purchases are for personal use only

Learn about institutional subscriptions

Preview

Unable to display preview. Download preview PDF.

Unable to display preview. Download preview PDF.

References

  • 1. J. Uzan: Rev. Mod. Phys. 75, 403 (2003)

    Google Scholar 

  • 2. C.J.A.P. Martins, ed.: Proc. JENAM2002: The cosmology of extra dimensions and varying fundamental constants (Kluwer, Netherlands, 2003)

    Google Scholar 

  • 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. 362

    Google Scholar 

  • 4. P.J. Outram, F.H. Chaffee, R.F. Carswell: Mon. Not. Roy. Soc. 310, 289 (1999)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 5. M.P. Savedoff: Nature 178, 689 (1956)

    Google Scholar 

  • 6. J.N. Bahcall, E.E. Salpeter: Astrophys. J. 142, 1677 (1965)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 7. J.N. Bahcall: Astrophys. J. 149, L7 (1967)

    Google Scholar 

  • 8. A.M. Wolfe, R.L. Brown, M.S. Roberts: Phys. Rev. Lett. 37, 179 (1976)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 9. L.L. Cowie, A. Songaila: Astrophys. J. 453, 596 (1995)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 10. D.A. Varshalovich, V.E. Panchuk, A.V. Ivanchik: Astron. Lett. 22, 6 (1996)

    ADS  Google Scholar 

  • 11. V.A. Dzuba, V.V. Flambaum, J.K. Webb: Phys. Rev. Lett. 82, 888 (1999)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 12. J.K. Webb, V.V. Flambaum, C.W. Churchill, M.J. Drinkwater, J.D. Barrow: Phys. Rev. Lett. 82, 884 (1999)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 13. M.T. Murphy et al.: Mon. Not. Roy. Soc. 327, 1208 (2001)

    Google Scholar 

  • 14. U. Griesmann, R. Kling: Astrophys. J. 536, L113 (2000)

    Google Scholar 

  • 15. J.C. Pickering, A.P. Thorne, J.K. Webb: Mon. Not. Roy. Soc. 300, 131 (1998)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 16. J.C. Pickering et al.: Mon. Not. Roy. Soc. 319, 163 (2000)

    Google Scholar 

  • 17. M.T. Murphy, J.K. Webb, V.V. Flambaum: Mon. Not. Roy. Soc. 345, 609 (2003)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 18. V.A. Dzuba, V.V. Flambaum, J.K. Webb: Phys. Rev. A 59, 230 (1999)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 19. V.A. Dzuba, V.V. Flambaum, M.T. Murphy, J.K. Webb: Phys. Rev. A 63, 42509 (2001)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 20. V.A. Dzuba, V.V. Flambaum, M.G. Kozlov, M. Marchenko: Phys. Rev. A 66, 022501 (2002)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 21. C.W. Churchill et al.: Astrophys. J. Supp. 130, 91 (2000)

    Google Scholar 

  • 22. J.X. Prochaska, A.M. Wolfe: Astrophys. J. Supp. 121, 369 (1999)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 23. J.X. Prochaska et al.: Astrophys. J. Supp. 137, 21 (2001)

    Google Scholar 

  • 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/~mim

    Google Scholar 

  • 25. J.D. Bekenstein: Phys. Rev. Lett., submitted, preprint (astro-ph/0301566) (2003)

    Google Scholar 

  • 26. E.J. Angstmann, V.V. Flambaum, S.G. Karshenboim: preprint (physics/0403009) (2004)

    Google Scholar 

  • 27. J.N. Bahcall, C.L. Steinhardt, D. Schlegel: Astrophys. J. 600, 520 (2004)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 28. J.K. Webb, M.T. Murphy, V.V. Flambaum, S.J. Curran: Astrophys. Space Sci. 283, 565 (2003)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 29. M.T. Murphy, J.K. Webb, V.V. Flambaum, C.W. Churchill, J.X. Prochaska: Mon. Not. Roy. Soc. 327, 1223 (2001)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 30. J.K. Webb et al.: Phys. Rev. Lett. 87, 091301 (2001)

    Google Scholar 

  • 31. M.T. Murphy, J.K. Webb, V.V. Flambaum, S.J. Curran: Astrophys. Space Sci. 283, 577 (2003)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 32. J.C. Berengut, V.A. Dzuba, V.V. Flambaum: Phys. Rev. A 68, 022502 (2003)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 33. L. Hallstadius: Z. Phys. A 291, 203 (1979)

    Google Scholar 

  • 34. R.E. Drullinger, D.J. Wineland, J.C. Bergquist: Appl. Phys. 22, 365 (1980)

    ADS  Google Scholar 

  • 35. P.L. Gay, D.L. Lambert: Astrophys. J. 533, 260 (2000)

    Google Scholar 

  • 36. D. Yong, D.L. Lambert, I.I. Ivans: Astrophys. J. 599, 1357 (2003)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 37. F.X. Timmes, S.E. Woosley, T.A. Weaver: Astrophys. J. Supp. 98, 617 (1995)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 38. Y. Fenner et al.: Publ. Astron. Soc. Australia 20, 340 (2003)

    Google Scholar 

  • 39. M.D. Shetrone: Astron. J. 112, 2639 (1996)

    Google Scholar 

  • 40. D. Yong, F. Grundahl, D.L. Lambert, P.E. Nissen, M.D. Shetrone: Astron. Astrophys. 402, 985 (2003)

    ADS  Google Scholar 

  • 41. M. Forestini, C. Charbonnel: Astron. Astrophys. Supp. 123, 241 (1997)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 42. L. Siess, M. Livio, J. Lattanzio: Astrophys. J. 570, 329 (2002)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 43. A.I. Karakas, J.C. Lattanzio: Publ. Astron. Soc. Australia 20, 279 (2003)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 44. T. Ashenfelter, G.J. Mathews, K.A. Olive: Phys. Rev. Lett. 92, 041102 (2004)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 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. 1

    Google Scholar 

  • 46. P. Molaro, S.A. Levshakov, S. D’Odorico, P. Bonifacio, M. Centurión: Astrophys. J. 549, 90 (2001)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 47. M. Pettini, C.C. Steidel, K.L. Adelberger, M. Dickinson, M. Giavalisco: Astrophys. J. 528, 96 (2000)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 48. K. Nomoto et al.: Nucl. Phys. A 621, 467 (1997)

    Google Scholar 

  • 49. L.M. Dray, C.A. Tout, A.I. Karakas, J.C. Lattanzio: Mon. Not. Roy. Soc. 338, 973 (2003)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 50. M. Pettini, S.L. Ellison, J. Bergeron, P. Petitjean: Astron. Astrophys. 391, 21 (2002)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 51. M. Centurión, P. Molaro, G. Vladilo, C. Péroux, S.A. Levshakov, V. D’Odorico: Astron. Astrophys. 403, 55 (2003)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 52. P. Langacker, G. Segrè, M.J. Strassler: Phys. Lett. B 528, 121 (2002)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 53. W.J. Marciano: Phys. Rev. Lett. 52, 489 (1984)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 54. X. Calmet, H. Fritzsch: Euro. Phys. J. C 24, 639 (2002)

    Article  Google Scholar 

  • 55. V.V. Flambaum, E.V. Shuryak: Phys. Rev. D 65, 103503 (2002)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 56. K.A. Olive, M. Pospelov: Phys. Rev. D 65, 085044 (2002)

    Google Scholar 

  • 57. V.F. Dmitriev, V.V. Flambaum: Phys. Rev. D 67, 063513 (2003)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 58. V.V. Flambaum, E.V. Shuryak: Phys. Rev. D 67, 083507 (2003)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 59. M.T. Murphy, J.K. Webb, V.V. Flambaum, M.J. Drinkwater, F. Combes, T. Wiklind: Mon. Not. Roy. Soc. 327, 1244 (2001)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 60. A.I. Shlyakhter: Nature 264, 340 (1976)

    Google Scholar 

  • 61. T. Damour, F. Dyson: Nucl. Phys. B 480, 37 (1996)

    Google Scholar 

  • 62. Y. Fujii et al.: Nucl. Phys. B 573, 377 (2000)

    Google Scholar 

  • 63. H. Oberhummer, A. Csótó, M. Fairbairn, H. Schlattl, M.M. Sharma: Nucl. Phys. A 719, 283 (2003)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 64. S.R. Beane, M.J. Savage: Nucl. Phys. A 713, 148 (2003)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 65. S.G. Karshenboim: Canadian J. Phys. 318, 680 (1997)

    Google Scholar 

  • 66. J.D. Prestage, R.L. Tjoelker, L. Maleki: Phys. Rev. Lett. 74, 3511 (1995)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 67. H. Marion et al.: Phys. Rev. Lett. 90, 150801 (2003)

    Google Scholar 

  • 68. S. Bize et al.: Phys. Rev. Lett. 90, 150802 (2003)

    Google Scholar 

  • 69. D.B. Leinweber, D.H. Lu, A.W. Thomas: Phys. Rev. D 60, 034014 (1999)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • 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. 409

    Google Scholar 

  • 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. 401

    Google Scholar 

  • 72. T. Dent: Nucl. Phys. B, accepted, preprint (hep-ph/0305026) (2003)

    Google Scholar 

Download references

Author information

Authors and Affiliations

Authors

Editor information

Savely G. Karshenboim Ekkehard Peik

Rights and permissions

Reprints and permissions

Copyright information

© 2004 Springer-Verlag Berlin/Heidelberg

About this chapter

Cite this chapter

Murphy, M.T., Flambaum, V.V., Webb, J.K., Dzuba, V.V., Prochaska, J.X., Wolfe, A.M. (2004). Constraining Variationsin the Fine-Structure Constant, Quark Massesand the Strong Interaction. In: Karshenboim, S.G., Peik, E. (eds) Astrophysics, Clocks and Fundamental Constants. Lecture Notes in Physics, vol 648. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-540-40991-5_9

Download citation

  • DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-540-40991-5_9

  • Published:

  • Publisher Name: Springer, Berlin, Heidelberg

  • Print ISBN: 978-3-540-21967-5

  • Online ISBN: 978-3-540-40991-5

  • eBook Packages: Springer Book Archive

Publish with us

Policies and ethics