Kepadatan Barion dan Batasan BBN

Karena hasil elemen ringan dari Dentuman Besar bergantung pada berapa banyak barion yang ada, nukleosintesis mengukur kepadatan barion kosmik dan membatasi fisika pada detik-detik pertama alam semesta.

Definition

Kepadatan barion adalah kepadatan rata-rata materi biasa di alam semesta, yang secara konvensional dinyatakan melalui rasio barion-foton; nukleosintesis Dentuman Besar membatasinya karena kelimpahan elemen ringan yang diprediksi bervariasi dengan rasio ini, dan kelimpahan tersebut juga membatasi fisika baru apa pun yang akan mengubah laju ekspansi awal.

Scope

Topik ini mencakup ketergantungan kelimpahan primordial pada rasio barion-foton, penentuan kepadatan barion kosmik yang dihasilkan, kesesuaian yang luar biasa dengan nilai independen dari latar belakang gelombang mikro kosmik, dan batasan tambahan yang diberikan nukleosintesis pada laju ekspansi, jumlah spesies neutrino, dan fisika awal alam semesta lainnya.

Core questions

• Bagaimana nukleosintesis mengukur kepadatan barion kosmik?
• Mengapa kesesuaian dengan latar belakang gelombang mikro kosmik itu signifikan?
• Fisika lain apa yang dibatasi oleh nukleosintesis?

Key concepts

• Rasio barion-foton
• Parameter kepadatan barion
• Bariometer deuterium
• Jumlah efektif neutrino
• Batasan laju ekspansi
• Kesesuaian dengan CMB

Key theories

Bariometer dari kelimpahan

Kelimpahan deuterium primordial bervariasi secara tajam dengan rasio barion-foton, sehingga mengukurnya menentukan kepadatan barion secara tepat, sebuah penentuan yang independen dari latar belakang gelombang mikro kosmik.

Batasan pada spesies relativistik

Ekspansi awal yang lebih cepat, seperti yang disebabkan oleh spesies relativistik tambahan, akan meninggalkan lebih banyak neutron dan meningkatkan kelimpahan helium, sehingga helium yang diamati membatasi jumlah efektif spesies neutrino di alam semesta awal.

Mechanisms

Menjalankan kode nukleosintesis pada berbagai rasio barion-foton menghasilkan kurva kelimpahan yang diprediksi; mencocokkan deuterium dan helium yang terukur dengan kurva ini menghasilkan kepadatan barion dan membatasi ekspansi nonstandar apa pun, karena perubahan dalam laju ekspansi awal mengubah pembekuan neutron-ke-proton dan karenanya hasilnya.

Clinical relevance

Kepadatan barion dari nukleosintesis sesuai dengan nilai yang berasal dari latar belakang gelombang mikro kosmik dalam batas ketidakpastian, sebuah keselarasan yang sangat memvalidasi model kosmologi standar dan menunjukkan bahwa materi biasa hanya menyumbang beberapa persen dari anggaran energi kosmik, dengan sisanya adalah materi gelap dan energi gelap.

History

Schramm, Steigman, dan lainnya mengembangkan nukleosintesis sebagai bariometer dan sebagai batasan pada spesies neutrino pada tahun 1970-an dan 1980-an, secara terkenal membatasi jumlah keluarga neutrino ringan sebelum eksperimen penumbuk; pengukuran deuterium presisi selanjutnya dan hasil latar belakang gelombang mikro kosmik Planck membawa kedua penentuan kepadatan barion ke dalam kesepakatan yang erat.

Debates

Ketegangan dan anomali litium

Meskipun deuterium dan helium sangat sesuai dengan kepadatan barion latar belakang gelombang mikro kosmik, litium tidak, menimbulkan perdebatan apakah ketegangan yang tersisa menandakan fisika baru di alam semesta awal atau sistematika astrofisika dan nuklir yang belum terpecahkan.

Key figures

• Gary Steigman
• David Schramm
• Keith Olive
• Brian Fields

Seminal works

• cyburt2016

Frequently asked questions

Bagaimana menit-menit pertama alam semesta dapat memberi tahu kita berapa banyak materi biasa yang ada?

Jumlah deuterium yang bertahan sangat bergantung pada seberapa padat barion, sehingga mengukur deuterium primordial secara efektif menghitung barion, menghasilkan kepadatan barion kosmik.

Mengapa kesesuaian dengan latar belakang gelombang mikro kosmik itu penting?

Nukleosintesis menyelidiki alam semesta pada satu detik sementara latar belakang gelombang mikro kosmik menyelidikinya pada 380.000 tahun; kedua pengukuran kepadatan barion yang sepenuhnya independen ini sesuai, sebuah pemeriksaan konsistensi yang kuat pada seluruh kerangka Dentuman Besar.