Probing cosmological variation of the proton-to-electron mass ratio by means of quasar absorption spectra

Abstract

This thesis examines the methods and procedures involved in the determination of a possible variation of the proton-electron mass ratio on cosmological time scales. The studied object QSO 0347-383 is a bright quasar of 17th magnitude at a redshift of z = 3.025. Its spectrum shows absorption systems of high Hi column density leading to saturated absorption features with prominent damping wings. One of those DLA systems contains observable molecular hydrogen H2 apparent in optically thin absorption features. The variation of the dimensionless fundamental physical constant mu = mp/me can be checked through observation of Lyman and Werner lines of molecular hydrogen observed in the spectra of distant QSOs. Only few, at present 4, systems have been used for the purpose providing different results between the different authors. The electro-vibro-rotational transitions of H2 depend differently on the reduced mass of the H2 molecule. A possible deviation from the local value of mu = 1836.15267261(85) (Mohr and Taylor 2005) can be ascertained from exact measurements of the observed transitions. The required observable parameter is solely the redshift. It includes the cosmological redshift of the DLA system and a possible additive component rising from possible changes in the individual transition frequencies due to variation in the reduced mass of the molecule. This thesis assesses the accuracy of the investigation concerning a possible variation of mu and provides robust results. The goal in mind is to resolve the current controversy on variation of mu and devise explanations for the different findings. This is achieved by providing alternative approaches to the problem. The demand for precision requires a deep understanding of the errors involved.Self-consistency in data analysis and effective techniques to handle unknown systematic errors are essential. An analysis based on independent data sets of QSO 0347-383 is put forward and new approaches for some of the steps involved in the data analysis are introduced. Drawing on two independent observations of a single absorption system in QSO 0347-383 the detailed analysis yields dmu/mu = 15 +/- (9stat + 6sys) * 10-6 at zabs = 3.025. Based on the overall goodness-of-fit the limit of accuracy is estimated to be about 300 m/s, consisting of roughly 180 m/s due to the uncertainty of the fit and about 120 m/s allocated to systematics. Utilizing very recent data observed in 2009 and dedicated to the subject of changing fundamental constants of the same system with twice the resolving power, the result on mu is constrained to dmu/mu = 2.9 +/- (6stat + 2sys) * 10-6 for a look back time of about 12 Gyrs. Current contradictory findings tend to underestimate the impact of systematic errors. This work presents alternative approaches to handle systematics and introduces new methods required for precision analysis of QSO spectra available now and within the foreseeable future. Altogether, no indication for variation of mu is found. The new constraint on the time dependence of the proton-to-electron mass ratio reached by this work is substantiated by following different approaches.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse einer möglichen Variation des Proton-Elektron-Massenverhältnisses und der dazu verwendeten Methodik. Die Analyse basiert auf Beobachtungsdaten von QSO 0347-383, einem hellen Quasar 17ter Größe mit einer Rotverschiebung von z=3.025. Sein Absorptionsspektrum weist HI-Systeme hoher Säulendichte und folglich teilweise gesättigte Linien mit ausgeprägten Dämpfungsflügeln auf. Ein beobachtetes DLA-System zeigt optisch dünne Absorptionslinien von molekularem Wasserstoff H2. Eine Variation der dimensionslosen fundamentalen physikalischen Konstanten mu = mp/me ließe sich anhand der Lyman- und Werner-Übergänge bestimmen. Bisher wurden lediglich vier unterschiedliche Systeme mit teils widersprüchlichen Resultaten zur Analyse herangezogen.

Die Übergangsenergien verschiedener Rotations- und Vibrationsniveaus von H2 sind von der reduzierten Masse des Moleküls abhängig. Eine Abweichung vom Laborwert mu = 1836.15267261(85) (Mohr and Taylor 2005) kann anhand exakter Vermessung entsprechender Absorptionslinien bestimmt werden. Die individuell gemessene Rotverschiebung jeder Linie ist der einzige relevante Parameter und beinhaltet zunächst die kosmologische Rotverschiebung des DLA-Absorbers und einen möglichen additiven Anteil aufgrund von Übergangsenergien, die bei gegebener Variation von den lokalen Energiedifferenzen der einzelnen Niveaus abweichen.

Diese Arbeit bewertet die erreichbare Genauigkeit einer derartigen Bestimmung einer Variation von mu und liefert fundierte Ergebnisse. Ziel ist es, bestehende Widersprüche in den Resultaten unterschiedlicher Arbeitsgruppen aufzulösen und Hinweise auf deren Ursachen auszuarbeiten. Dieses wird durch unterschiedliche und voneinander unabhängige Ansätze bei der Analyse erreicht.

Der hohe Anspruch an Genauigkeit den dieses Forschungsfeld diktiert, macht es erforderlich, die einfließenden Fehlerquellen qualitativ und nach Möglichkeit quantitativ zu bestimmen. Ein wichtiges Kriterium sind reproduzierbare Ergebnisse, die die Messdaten einschließlich ihrer Streuung hinreichend beschreiben. Die gemeinsame Betrachtung zweier getrennt voneinander gewonnener Datensätze von QSO 0347-383 ergibt: dmu/mu = 15 +/- (9stat + 6sys) * 10-6 bei zabs = 3.025 . Die Genauigkeit der Messungen wird zu 300 m/s, bestimmt, bestehend aus etwa 180 m/s, aufgrund von Fitfehlern und etwa 120 m/s, systematischer Natur, insbesondere der Wellenlängenkalibration.

Eine Analyse von Daten, die mit Hinsicht auf die besonderen Ansprüche bei der Bestimmung von dmu/mu in jüngster Vergangenheit gewonnen wurden, liefert: dmu/mu = 2.9 +/- (6stat + 2sys) * 10-6 für eine Zeitspanne von ca. 12 Gyr. Die deutlichere Einschränkung einer möglichen Variation von mu ist vor allem auf die um Faktor zwei höhere Auflösung und die gründlichere Wellenlängenkalibration der 2009 gewonnen Daten zurückzuführen.

Bisher erfolgte Untersuchungen geben Anlass zur Annahme, dass systematische Fehler bislang generell unterschätzt wurden und die Ergebnisse somit beinflussten. Die vorliegende Arbeit verwirft die Hypothese einer Variation des Proton-Elektron-Massenverhältnisses von mehr als 1 ppm und liefert alternative Herangehensweisen zur Fehlerbehandlung und -erkennung, die speziell in Hinblick auf zu erwartende Qualität zukünftiger Daten von zunehmender Bedeutung sind.