چگالی باریونی و محدودیتهای BBN
از آنجا که میزان تولید عناصر سبک در مهبانگ به تعداد باریونهای موجود بستگی دارد، هستهزایی چگالی باریونی کیهانی را اندازهگیری میکند و فیزیک را در ثانیههای اولیه جهان محدود میسازد.
Definition
چگالی باریونی، چگالی متوسط ماده معمولی در جهان است که به طور قراردادی از طریق نسبت باریون به فوتون بیان میشود؛ هستهزایی مهبانگ آن را محدود میکند زیرا فراوانیهای پیشبینیشده عناصر سبک با این نسبت تغییر میکند، و این فراوانیها همچنین هر فیزیک جدیدی را که نرخ انبساط اولیه را تغییر دهد، محدود میسازد.
Scope
این موضوع به وابستگی فراوانیهای اولیه به نسبت باریون به فوتون، تعیین چگالی باریونی کیهانی ناشی از آن، توافق قابل توجه با مقدار مستقل به دست آمده از تابش زمینه کیهانی، و محدودیتهای اضافی که هستهزایی بر نرخ انبساط، تعداد گونههای نوترینو، و سایر فیزیکهای جهان اولیه اعمال میکند، میپردازد.
Core questions
- هستهزایی چگونه چگالی باریونی کیهانی را اندازهگیری میکند؟
- چرا توافق با تابش زمینه کیهانی مهم است؟
- هستهزایی چه فیزیکهای دیگری را محدود میکند؟
Key concepts
- نسبت باریون به فوتون
- پارامتر چگالی باریونی
- باریومتر دوتریوم
- تعداد مؤثر نوترینوها
- محدودیت نرخ انبساط
- توافق با CMB
Key theories
- باریومتر از فراوانیها
- فراوانی دوتریوم اولیه به شدت با نسبت باریون به فوتون تغییر میکند، بنابراین اندازهگیری آن چگالی باریونی را به دقت مشخص میکند، که یک تعیین مستقل از تابش زمینه کیهانی است.
- محدودیتها بر گونههای نسبیتی
- انبساط اولیه سریعتر، که توسط گونههای نسبیتی اضافی ایجاد میشود، نوترونهای بیشتری را باقی میگذارد و فراوانی هلیوم را افزایش میدهد، بنابراین هلیوم مشاهدهشده تعداد مؤثر گونههای نوترینو را در جهان اولیه محدود میکند.
Mechanisms
اجرای کدهای هستهزایی در دامنهای از نسبتهای باریون به فوتون، منحنیهای فراوانی پیشبینیشده را تولید میکند؛ تطبیق دوتریوم و هلیوم اندازهگیریشده با این منحنیها، چگالی باریونی را به دست میدهد و هر انبساط غیر استاندارد را محدود میکند، زیرا تغییرات در نرخ انبساط اولیه، انجماد نوترون به پروتون و در نتیجه بازدهیها را تغییر میدهد.
Clinical relevance
چگالی باریونی حاصل از هستهزایی با مقدار به دست آمده از تابش زمینه کیهانی در محدوده عدم قطعیتها مطابقت دارد، توافقی که مدل استاندارد کیهانشناسی را به شدت تأیید میکند و نشان میدهد که ماده معمولی تنها چند درصد از بودجه انرژی کیهانی را تشکیل میدهد، و بقیه آن ماده تاریک و انرژی تاریک است.
History
شرام، استایگمن و دیگران هستهزایی را به عنوان یک باریومتر و به عنوان محدودیتی بر گونههای نوترینو در دهههای ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ توسعه دادند، که به طور مشهوری تعداد خانوادههای نوترینوهای سبک را قبل از آزمایشهای برخورددهنده محدود کردند؛ بعدها اندازهگیریهای دقیق دوتریوم و نتایج تابش زمینه کیهانی پلانک، دو تعیین چگالی باریونی را به توافق نزدیک رساند.
Debates
- تنش و ناهنجاری لیتیوم
- در حالی که دوتریوم و هلیوم به خوبی با چگالی باریونی تابش زمینه کیهانی مطابقت دارند، لیتیوم اینگونه نیست، که بحثهایی را در مورد اینکه آیا تنش باقیمانده نشاندهنده فیزیک جدید در جهان اولیه است یا سیستماتیکهای اخترفیزیکی و هستهای حلنشده، ایجاد کرده است.
Key figures
- Gary Steigman
- David Schramm
- Keith Olive
- Brian Fields
Related topics
Seminal works
- cyburt2016
Frequently asked questions
- چگونه دقایق اولیه جهان میتواند به ما بگوید چه مقدار ماده معمولی وجود دارد؟
- مقدار دوتریومی که باقی میماند به شدت به چگالی باریونها بستگی دارد، بنابراین اندازهگیری دوتریوم اولیه به طور مؤثری باریونها را شمارش میکند و چگالی باریونی کیهانی را به دست میدهد.
- چرا توافق با تابش زمینه کیهانی مهم است؟
- هستهزایی جهان را در یک ثانیه بررسی میکند در حالی که تابش زمینه کیهانی آن را در ۳۸۰,۰۰۰ سال بررسی میکند؛ دو اندازهگیری کاملاً مستقل آنها از چگالی باریونی با هم مطابقت دارند، که یک بررسی سازگاری قدرتمند برای کل چارچوب مهبانگ است.