ความหนาแน่นของแบริออนและข้อจำกัดของ BBN

เนื่องจากผลผลิตธาตุเบาของบิกแบงขึ้นอยู่กับปริมาณแบริออนที่มีอยู่ นิวคลีโอสังเคราะห์จึงใช้วัดความหนาแน่นของแบริออนในจักรวาลและจำกัดฟิสิกส์ในช่วงไม่กี่วินาทีแรกของเอกภพ

Definition

ความหนาแน่นของแบริออนคือความหนาแน่นเฉลี่ยของสสารปกติในเอกภพ ซึ่งโดยทั่วไปแสดงผ่านอัตราส่วนแบริออนต่อโฟตอน; การสังเคราะห์นิวเคลียสบิกแบงจำกัดค่านี้เนื่องจากปริมาณธาตุเบาที่คาดการณ์ไว้จะแตกต่างกันไปตามอัตราส่วนนี้ และปริมาณดังกล่าวยังจำกัดฟิสิกส์ใหม่ใดๆ ที่จะเปลี่ยนแปลงอัตราการขยายตัวในช่วงแรก

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงการพึ่งพาของปริมาณธาตุเบื้องต้นต่ออัตราส่วนแบริออนต่อโฟตอน การกำหนดความหนาแน่นของแบริออนในจักรวาลที่ได้จากสิ่งนี้ ความสอดคล้องที่น่าทึ่งกับค่าอิสระจากพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาล และข้อจำกัดเพิ่มเติมที่นิวคลีโอสังเคราะห์กำหนดต่ออัตราการขยายตัว จำนวนชนิดของนิวตริโน และฟิสิกส์อื่นๆ ในยุคแรกของเอกภพ

Core questions

• นิวคลีโอสังเคราะห์วัดความหนาแน่นของแบริออนในจักรวาลได้อย่างไร?
• เหตุใดความสอดคล้องกับพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลจึงมีความสำคัญ?
• นิวคลีโอสังเคราะห์จำกัดฟิสิกส์อื่นๆ อะไรบ้าง?

Key concepts

• อัตราส่วนแบริออนต่อโฟตอน
• พารามิเตอร์ความหนาแน่นของแบริออน
• เครื่องวัดแบริออนจากดิวเทอเรียม
• จำนวนนิวตริโนที่มีผล
• ข้อจำกัดอัตราการขยายตัว
• ความสอดคล้องกับ CMB

Key theories

เครื่องวัดแบริออนจากปริมาณธาตุ

ปริมาณดิวเทอเรียมดั้งเดิมจะแปรผันอย่างมากกับอัตราส่วนแบริออนต่อโฟตอน ดังนั้นการวัดค่านี้จึงช่วยระบุความหนาแน่นของแบริออนได้อย่างแม่นยำ ซึ่งเป็นการกำหนดค่าที่เป็นอิสระจากพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาล

ข้อจำกัดเกี่ยวกับชนิดของอนุภาคสัมพัทธภาพ

การขยายตัวในช่วงแรกที่เร็วขึ้น ซึ่งเกิดจากชนิดของอนุภาคสัมพัทธภาพที่เพิ่มขึ้น จะทำให้นิวตรอนเหลืออยู่มากขึ้นและเพิ่มปริมาณฮีเลียม ดังนั้นฮีเลียมที่สังเกตได้จึงจำกัดจำนวนชนิดของนิวตริโนที่มีผลในยุคแรกของเอกภพ

Mechanisms

การรันโค้ดนิวคลีโอสังเคราะห์ในช่วงของอัตราส่วนแบริออนต่อโฟตอนจะสร้างเส้นโค้งปริมาณที่คาดการณ์ไว้ การจับคู่ดิวเทอเรียมและฮีเลียมที่วัดได้กับเส้นโค้งเหล่านี้จะให้ความหนาแน่นของแบริออนและจำกัดการขยายตัวที่ผิดปกติใดๆ เนื่องจากความเปลี่ยนแปลงในอัตราการขยายตัวในช่วงแรกจะเปลี่ยนแปลงการหยุดนิ่งของนิวตรอนต่อโปรตอน และด้วยเหตุนี้จึงส่งผลต่อผลผลิต

Clinical relevance

ความหนาแน่นของแบริออนจากการสังเคราะห์นิวเคลียสสอดคล้องกับค่าที่ได้จากพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลภายในขอบเขตความไม่แน่นอน ความสอดคล้องนี้ยืนยันแบบจำลองจักรวาลวิทยามาตรฐานอย่างมาก และแสดงให้เห็นว่าสสารปกติคิดเป็นเพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์ของงบประมาณพลังงานของจักรวาล โดยที่เหลือเป็นสสารมืดและพลังงานมืด

History

ชแรมม์ สไตจ์แมน และคนอื่นๆ ได้พัฒนานิวคลีโอสังเคราะห์เป็นเครื่องวัดแบริออนและเป็นข้อจำกัดสำหรับชนิดของนิวตริโนในช่วงทศวรรษ 1970 และ 1980 ซึ่งจำกัดจำนวนตระกูลนิวตริโนเบาอย่างมีชื่อเสียงก่อนการทดลองเครื่องชนอนุภาค; การวัดดิวเทอเรียมที่แม่นยำในภายหลังและผลลัพธ์พื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลจากยานอวกาศพลังค์ทำให้การกำหนดความหนาแน่นของแบริออนทั้งสองมีความสอดคล้องกันอย่างใกล้ชิด

Debates

ความตึงเครียดและความผิดปกติของลิเทียม

ในขณะที่ดิวเทอเรียมและฮีเลียมสอดคล้องกับความหนาแน่นของแบริออนจากพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลได้ดี แต่ลิเทียมกลับไม่เป็นเช่นนั้น ทำให้เกิดการถกเถียงกันว่าความตึงเครียดที่เหลืออยู่นี้เป็นสัญญาณของฟิสิกส์ใหม่ในยุคแรกของเอกภพ หรือเป็นระบบทางดาราศาสตร์และนิวเคลียร์ที่ยังไม่ได้รับการแก้ไข

Key figures

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

Seminal works

• cyburt2016

Frequently asked questions

ช่วงไม่กี่นาทีแรกของเอกภพสามารถบอกเราได้อย่างไรว่ามีสสารปกติอยู่เท่าใด?

ปริมาณดิวเทอเรียมที่เหลืออยู่ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของแบริออนอย่างมาก ดังนั้นการวัดดิวเทอเรียมดั้งเดิมจึงเป็นการนับแบริออนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้ได้ความหนาแน่นของแบริออนในจักรวาล

เหตุใดความสอดคล้องกับพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลจึงมีความสำคัญ?

นิวคลีโอสังเคราะห์สำรวจเอกภพในช่วงหนึ่งวินาที ในขณะที่พื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลสำรวจเอกภพในช่วง 380,000 ปี การวัดความหนาแน่นของแบริออนทั้งสองแบบที่เป็นอิสระจากกันโดยสิ้นเชิงมีความสอดคล้องกัน ซึ่งเป็นการตรวจสอบความสอดคล้องที่ทรงพลังสำหรับกรอบการทำงานของบิกแบงทั้งหมด