バリオン密度とBBNによる制約

ビッグバンにおける軽元素の生成量はバリオンの数に依存するため、元素合成は宇宙のバリオン密度を測定し、宇宙初期の数秒間の物理学に制約を与える。

Definition

バリオン密度は宇宙における通常の物質の平均密度であり、慣習的にバリオン-光子比を通じて表現される。ビッグバン原子核合成（BBN）は、予測される軽元素の存在量がこの比率によって変化するため、バリオン密度に制約を与える。また、元素存在量は、初期の膨張率を変化させる可能性のある新しい物理学にも制約を与える。

Scope

このトピックでは、原始元素存在量がバリオン-光子比に依存すること、それによる宇宙のバリオン密度の決定、宇宙マイクロ波背景放射（CMB）からの独立した値との驚くべき一致、および元素合成が膨張率、ニュートリノ種の数、その他の初期宇宙の物理学に与える追加の制約について扱う。

Core questions

• 元素合成はどのようにして宇宙のバリオン密度を測定するのか？
• 宇宙マイクロ波背景放射との一致がなぜ重要なのか？
• 元素合成は他にどのような物理学に制約を与えるのか？

Key concepts

• バリオン-光子比
• バリオン密度パラメータ
• 重水素バリオン密度計
• ニュートリノの実効数
• 膨張率の制約
• CMBとの一致

Key theories

存在量からのバリオン密度計

原始重水素の存在量はバリオン-光子比によって急激に変化するため、これを測定することでバリオン密度を正確に特定でき、宇宙マイクロ波背景放射とは独立した決定となる。

相対論的種に対する制約

余分な相対論的種によって引き起こされるような、より速い初期の膨張は、より多くの中性子を残し、ヘリウムの存在量を増加させるため、観測されたヘリウムは初期宇宙におけるニュートリノの実効数に制約を与える。

Mechanisms

様々なバリオン-光子比で元素合成コードを実行すると、予測される存在量曲線が生成される。測定された重水素とヘリウムをこれらの曲線に合わせることで、バリオン密度が得られ、非標準的な膨張に制約が与えられる。これは、初期の膨張率の変化が中性子-陽子凍結（neutron-to-proton freeze-out）を変化させ、ひいては生成量に影響を与えるためである。

Clinical relevance

元素合成から得られるバリオン密度は、宇宙マイクロ波背景放射から導出される値と不確実性の範囲内で一致しており、この一致は標準宇宙論モデルを強く裏付けるものであり、通常の物質が宇宙のエネルギー収支のわずか数パーセントしか占めておらず、残りはダークマターとダークエネルギーであることを示している。

History

シュラム、スタイグマンらは、1970年代から1980年代にかけて、バリオン密度計として、またニュートリノ種に対する制約として元素合成を発展させ、衝突型加速器実験に先立って軽いニュートリノ族の数を制限したことで有名である。その後の精密な重水素測定とプランク衛星による宇宙マイクロ波背景放射の結果により、2つのバリオン密度決定は密接に一致するようになった。

Debates

緊張とリチウム異常

重水素とヘリウムは宇宙マイクロ波背景放射のバリオン密度とよく一致するが、リチウムはそうではない。この残された不一致が、初期宇宙における新しい物理学の兆候なのか、あるいは未解決の天体物理学的および核物理学的系統誤差によるものなのかについて議論が続いている。

Key figures

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

Seminal works

• cyburt2016

Frequently asked questions

宇宙の最初の数分間が、どれだけの通常の物質が存在するかをどのように教えてくれるのか？

生き残る重水素の量は、バリオンがどれほど密に詰まっていたかに大きく依存するため、原始重水素を測定することは、実質的にバリオンを数えることになり、宇宙のバリオン密度が得られる。

宇宙マイクロ波背景放射との一致がなぜ重要なのか？

元素合成は宇宙の1秒時点を、宇宙マイクロ波背景放射は38万年時点を調べている。バリオン密度のこれら2つの完全に独立した測定値が一致することは、ビッグバン理論全体の強力な整合性チェックとなる。