Плотность барионов и ограничения ББН

Поскольку выход легких элементов Большого взрыва зависит от количества барионов, нуклеосинтез измеряет космическую плотность барионов и накладывает ограничения на физические процессы в первые секунды существования Вселенной.

Definition

Плотность барионов — это средняя плотность обычного вещества во Вселенной, обычно выражаемая через отношение барионов к фотонам; нуклеосинтез Большого взрыва ограничивает ее, поскольку предсказанные распространенности легких элементов варьируются в зависимости от этого отношения, а распространенности также ограничивают любую новую физику, которая могла бы изменить скорость раннего расширения.

Scope

Эта тема охватывает зависимость первичных распространенностей от отношения барионов к фотонам, последующее определение космической плотности барионов, замечательное согласие с независимым значением, полученным из космического микроволнового фона, а также дополнительные ограничения, которые нуклеосинтез накладывает на скорость расширения, количество видов нейтрино и другие физические процессы ранней Вселенной.

Core questions

• Как нуклеосинтез измеряет космическую плотность барионов?
• Почему согласие с космическим микроволновым фоном так важно?
• Какие еще физические процессы ограничивает нуклеосинтез?

Key concepts

• Отношение барионов к фотонам
• Параметр плотности барионов
• Дейтериевый бариометр
• Эффективное число нейтрино
• Ограничение скорости расширения
• Согласие с КМБ

Key theories

Бариометр по распространенностям

Первичная распространенность дейтерия сильно варьируется в зависимости от отношения барионов к фотонам, поэтому ее измерение точно определяет плотность барионов, что является определением, независимым от космического микроволнового фона.

Ограничения на релятивистские частицы

Более быстрое раннее расширение, вызванное дополнительными релятивистскими частицами, оставило бы больше нейтронов и увеличило бы распространенность гелия, поэтому наблюдаемый гелий ограничивает эффективное число видов нейтрино в ранней Вселенной.

Mechanisms

Запуск кодов нуклеосинтеза для ряда отношений барионов к фотонам позволяет получить предсказанные кривые распространенности; сопоставление измеренных значений дейтерия и гелия с этими кривыми дает плотность барионов и ограничивает любое нестандартное расширение, поскольку изменения в скорости раннего расширения изменяют замораживание нейтронов к протонам и, следовательно, выходы.

Clinical relevance

Плотность барионов, полученная из нуклеосинтеза, согласуется со значением, выведенным из космического микроволнового фона, в пределах неопределенностей, что является подтверждением стандартной космологической модели и показывает, что обычное вещество составляет лишь несколько процентов космического энергетического бюджета, а остальное приходится на темную материю и темную энергию.

History

Шрамм, Штайгман и другие разработали нуклеосинтез как бариометр и как ограничение на виды нейтрино в 1970-х и 1980-х годах, знаменито ограничивая количество легких семейств нейтрино до экспериментов на коллайдерах; более поздние точные измерения дейтерия и результаты космического микроволнового фона от Planck привели к тесному согласию двух определений плотности барионов.

Debates

Напряженность и литиевая аномалия

В то время как дейтерий и гелий хорошо согласуются с плотностью барионов космического микроволнового фона, литий — нет, что вызывает дебаты о том, сигнализирует ли остаточное напряжение о новой физике в ранней Вселенной или о неразрешенных астрофизических и ядерных систематических ошибках.

Key figures

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

Seminal works

• cyburt2016

Frequently asked questions

Как первые минуты существования Вселенной могут рассказать нам, сколько обычного вещества существует?

Количество выжившего дейтерия резко зависит от того, насколько плотно были упакованы барионы, поэтому измерение первичного дейтерия фактически подсчитывает барионы, давая космическую плотность барионов.

Почему важно согласие с космическим микроволновым фоном?

Нуклеосинтез исследует Вселенную в возрасте одной секунды, в то время как космический микроволновый фон исследует ее в возрасте 380 000 лет; их два совершенно независимых измерения плотности барионов согласуются, что является мощной проверкой согласованности всей структуры Большого взрыва.