The fine structure constant: a review of measurement results and possible space-time variations

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

A brief description of the main methods for determining the fine structure constant is given. It is shown that the exact value of the fine structure constant is important for the new International System of Units and for fundamental metrology. Recent measurement results and theoretical calculations of the fine structure constant, as well as its possible space-time variations, are presented. The results of laboratory experiments on the search for long-term variations of the fine structure constant are presented. The astrophysical and cosmological observational data on possible variability of the fine structure constant are presented. The possibility of slightly lower values of the fine structure constant in the remote past as compared to its modern value, as well as the existence of unresolved problems related to possible space-time variations of the fine structure constant and the spread of the results of its precise laboratory measurements, are noted. Despite the absence of experimentally confirmed long-term variations of the fine structure constant at a high level of accuracy, possible practical applications of the results are noted, namely, the construction of an optical frequency standard with high stability and frequency reproduction accuracy based on the ytterbium-171 ion and a laser frequency synthesizer which may replace the caesium frequency standard.

About the authors

K. A. Bronnikov

Research Center for Applied Metrology – Rostest

Email: kb@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-9392-7558

V. D. Ivashchuk

Research Center for Applied Metrology – Rostest

Email: VladimirDI@rostest.ru
ORCID iD: 0000-0002-4153-2658
SPIN-code: 2349-7755

V. V. Khruschov

Research Center for Applied Metrology – Rostest

Email: VyacheslavVK@rostest.ru
ORCID iD: 0000-0002-1287-5846
SPIN-code: 1997-6248

References

  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

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».